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原標題：小電池指引光伏產(chǎn)業(yè)新方向 攻克鈣鈦礦技術(shù)瓶頸成市場化當務(wù)之急
圖片來源：DOUGLAS FRY
新光伏材料在實驗室里創(chuàng)造了奇跡，但是能夠商業(yè)化嗎？
在不同類型的太陽能電池里，有一種產(chǎn)品脫穎而出。數(shù)十年里，幾乎所有的太陽能技術(shù)，例如晶體硅晶片和碲化鎘薄膜都有一個緩慢穩(wěn)定的發(fā)展過程，同時也有技術(shù)能將太陽光線的14%能量轉(zhuǎn)換為電力。但如今一個新競爭者脫穎而出：由名為鈣鈦礦的復(fù)雜晶體制成的太陽能電池。
2009年，這種電池悄然到來，當時其有效轉(zhuǎn)換率為3.8%——這是一個乏味的結(jié)果，因為當時的頂級硅光電池在實驗室中的轉(zhuǎn)換率能達到25%。但是，到2011年年底，新電池的有效率翻了一番達到6.5%，去年攀升到10%，2013年，有效率為15%（Nature, 2013, 499, 316-319）。“這讓人驚訝。”以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院材料學(xué)家David Cahen說，“在太陽能電池里，我們從未看到這樣的結(jié)果。”
這種電池的發(fā)展趨勢越來越好。鈣鈦礦是由現(xiàn)成材料制成的，不像某些種類的太陽能電池，它們廉價而容易產(chǎn)生。專家認為，這種電池還有許多改進空間，明年效率能達到20%。鈣鈦礦太陽能電池還有潛力與硅電池板相結(jié)合，制造出效率達30%甚至更高的串聯(lián)電池。
“它在發(fā)展。”美國斯坦福大學(xué)材料學(xué)家Michael McGehee說。“它非常具有競爭性。”瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)家Michael Gratzel說。“戰(zhàn)役在繼續(xù)。它的發(fā)展非常迅速，我沒有時間睡覺了。”美國加州大學(xué)洛杉磯分校太陽能電池專家Yang Yang說。
正確方向
鈣鈦礦在1個多世紀前就擺在了太陽能電池制造者面前。1839年，一位俄羅斯礦物學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這種礦物質(zhì)的自然狀態(tài)。目前，已知有數(shù)百種此類礦物質(zhì)，太陽能電池鈣鈦礦屬于半導(dǎo)體，其他家族成員從導(dǎo)體到絕緣體范圍極為廣泛，最著名的是高溫氧化銅超導(dǎo)體。
上世紀90年代，IBM華生研究中心物理學(xué)家David Mitzi使用鈣鈦礦半導(dǎo)體制成了薄膜晶體管和發(fā)光二極管。盡管許多發(fā)光材料也能制成良好的吸光器，但Mitzi發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太不穩(wěn)定而無法制作太陽能電池——材料必須能夠持續(xù)數(shù)十年才有商業(yè)價值。
幾乎在10年之后，Tsutomu Miyasaka朝著解決問題的方向邁出了第一步。日本桐蔭橫濱大學(xué)化學(xué)家Miyasaka及同事致力于研究染色敏化太陽能電池（DSSCs）。與傳統(tǒng)的硅太陽能電池不同，DSSCs包含有機吸光染料混合物，這些混合物為二氧化鈦（TiO2）等微小顆粒添加涂層，這些顆粒被電解液包圍。
在標準DSSCs里，當染色分子吸引光子時，光能夠提高染色劑中電子的能量，使其跳到二氧化鈦微粒上。在那里，它會從微粒跳到微粒，直至到達電極，然后被收集起來，送入電路中。同時，其他電子從電解質(zhì)跳到染色劑，并使其恢復(fù)到初始狀態(tài)。
Gratzel表示，這里就有個麻煩。1991年Gratzel研究小組發(fā)明了DSSCs，但其染色劑不能吸收所有的光，因此降低了電池的能效。為了做得更好，Miyasaka將注意力轉(zhuǎn)向鈣鈦礦。他的研究小組花費了兩年時間，尋找能使這種物質(zhì)變穩(wěn)定的秘方。他們使用了一層薄薄的吸光鈣鈦礦層，能效達3.8%。但不幸的是，這種電池也包含液體電解質(zhì)，會在幾分鐘內(nèi)溶解鈣鈦礦，以致電池失效。
之后，Gratzel與韓國成均館大學(xué)的Nam-Gyu Park合作邁出了下一步。2012年，他們宣布使用固體取代了原來的液體，能效接近10%。現(xiàn)在，事情開始變得有趣。
越來越好
當其他技術(shù)還在為突破12%競爭時，鈣鈦礦太陽能電池為何能遙遙領(lǐng)先？Cahen表示，正確答案的一部分是，鈣鈦礦有近乎完美的結(jié)晶度。這是砷化鎵和晶體硅等頂級太陽能電池材料共有的特征。
在第二類電池材料中，這種晶體排列充斥著許多瑕疵。當電荷快速通過晶體陷入瑕疵時，它們通常會放棄額外的能量。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價值數(shù)百萬美元的設(shè)備。但是鈣鈦礦能在80攝氏度下被制成，并能從溶液中簡單沉淀析出近乎完美的形式。“有一點美夢成真的感覺。”Cahen說。
今年10月，英國牛津大學(xué)Henry Snaith研究小組和Gratzel小組等宣布，他們獲得了更完美的結(jié)果：鈣鈦礦能允許電荷在材料里穿行很長的距離。這種被稱為載流子擴散長度的性能對所有太陽能電池都非常重要。它用于衡量一個電子在遇到帶正電荷的電子空位或坑洞并掉入之前能走多遠。在這個過程中，電子會放棄從陽光的光子獲得的多余能量，產(chǎn)生熱能而非電力。
有機太陽能電池的擴散長度大約為10納米。相比之下，鈣鈦礦的擴散長度是前者的100倍。“結(jié)果是，你能收集通行了更長距離的電荷。”Gratzel說。
鈣鈦礦還有另一個價值很高的特性：產(chǎn)生電壓的效率。例如，在晶體硅太陽能電池中，需要從光子獲得至少1.1電子伏（eV）的能量，從而將一個電子反沖出硅原子的束縛，成為自由電子。然后，電子到達電極，再進入電路，它們的電壓會降至0.7eV，僅喪失了0.4eV——這也是硅在商業(yè)上取得成功的部分原因。
對于傳統(tǒng)的DSSCs和有機太陽能電池而言，這些損耗約為0.7eV～0.8eV。但是，鈣鈦礦的損耗僅有0.4eV，與商業(yè)利益相匹配。“鈣鈦礦的這些優(yōu)點非常好。”Yang說，“這就是我們想要的。”Yang小組在過去10年里花費大量時間研究有機太陽能電池，將其效能提高到接近11%。但是，之后他們開始研究鈣鈦礦，“我們在5個月里使其能效達到13%。”Yang說。
另外，鈣鈦礦在吸收藍色和綠色光子方面比硅更好。鈣鈦礦的生成溫度比玻璃的熔點低，工程師能夠?qū)⑺鼈冎苯愉佋诠桦姵夭Ａ繉拥捻敹恕cGehee表示，這一策略可能制造廉價串聯(lián)電池，但是沒有人這樣做過。
遭遇障礙
太陽能電池企業(yè)需要新的活力。近年來，太陽能電池價格下降，經(jīng)過殘酷的商業(yè)淘沙，大量相關(guān)企業(yè)紛紛破產(chǎn)。Gratzel指出，風險投資公司以及科學(xué)基金機構(gòu)，對支持有機太陽能光伏電板和DSSCs等進展緩慢研究的熱情逐漸冷卻。他補充道：“相關(guān)企業(yè)的情緒非常低落”。因此鈣鈦礦來得正是時候，“我們需要激勵”。
即便如此，在鈣鈦礦太陽能電池為進入市場作好準備前還有很長的路要走。首先，Cahen說，目前實驗室里制造的大部分電池是微小的，僅幾厘米大。相比之下，硅電池板直徑能達數(shù)米。“很難生產(chǎn)較大的鈣鈦礦連續(xù)膜。”Cahen說。而且沒有研究人員能解決耐久性問題。鈣鈦礦電池對氧氣非常敏感，會與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而破壞晶體結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生水蒸氣，溶解鹽狀的鈣鈦礦。更糟的是，目前最好的鈣鈦礦中的鉛可能會濾出，污染屋頂和土壤。
“這里也存在許多困難。”Cahen說，“此時，我是一個樂觀主義者，并且是材料研究的信徒。”有關(guān)鈣鈦礦的諸多挑戰(zhàn)需要解決，“該領(lǐng)域在未來幾年中將非常活躍”。Gratzel說。全球太陽能電池市場價值每年將達到近500億美元，研究人員有動力推進該領(lǐng)域的發(fā)展。
圖片來源：DOUGLAS FRY
新光伏材料在實驗室里創(chuàng)造了奇跡，但是能夠商業(yè)化嗎？
在不同類型的太陽能電池里，有一種產(chǎn)品脫穎而出。數(shù)十年里，幾乎所有的太陽能技術(shù)，例如晶體硅晶片和碲化鎘薄膜都有一個緩慢穩(wěn)定的發(fā)展過程，同時也有技術(shù)能將太陽光線的14%能量轉(zhuǎn)換為電力。但如今一個新競爭者脫穎而出：由名為鈣鈦礦的復(fù)雜晶體制成的太陽能電池。
2009年，這種電池悄然到來，當時其有效轉(zhuǎn)換率為3.8%——這是一個乏味的結(jié)果，因為當時的頂級硅光電池在實驗室中的轉(zhuǎn)換率能達到25%。但是，到2011年年底，新電池的有效率翻了一番達到6.5%，去年攀升到10%，2013年，有效率為15%（Nature, 2013, 499, 316-319）。“這讓人驚訝。”以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院材料學(xué)家David Cahen說，“在太陽能電池里，我們從未看到這樣的結(jié)果。”
這種電池的發(fā)展趨勢越來越好。鈣鈦礦是由現(xiàn)成材料制成的，不像某些種類的太陽能電池，它們廉價而容易產(chǎn)生。專家認為，這種電池還有許多改進空間，明年效率能達到20%。鈣鈦礦太陽能電池還有潛力與硅電池板相結(jié)合，制造出效率達30%甚至更高的串聯(lián)電池。
“它在發(fā)展。”美國斯坦福大學(xué)材料學(xué)家Michael McGehee說。“它非常具有競爭性。”瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)家Michael Gratzel說。“戰(zhàn)役在繼續(xù)。它的發(fā)展非常迅速，我沒有時間睡覺了。”美國加州大學(xué)洛杉磯分校太陽能電池專家Yang Yang說。
正確方向
鈣鈦礦在1個多世紀前就擺在了太陽能電池制造者面前。1839年，一位俄羅斯礦物學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這種礦物質(zhì)的自然狀態(tài)。目前，已知有數(shù)百種此類礦物質(zhì)，太陽能電池鈣鈦礦屬于半導(dǎo)體，其他家族成員從導(dǎo)體到絕緣體范圍極為廣泛，最著名的是高溫氧化銅超導(dǎo)體。
上世紀90年代，IBM華生研究中心物理學(xué)家David Mitzi使用鈣鈦礦半導(dǎo)體制成了薄膜晶體管和發(fā)光二極管。盡管許多發(fā)光材料也能制成良好的吸光器，但Mitzi發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太不穩(wěn)定而無法制作太陽能電池——材料必須能夠持續(xù)數(shù)十年才有商業(yè)價值。
幾乎在10年之后，Tsutomu Miyasaka朝著解決問題的方向邁出了第一步。日本桐蔭橫濱大學(xué)化學(xué)家Miyasaka及同事致力于研究染色敏化太陽能電池（DSSCs）。與傳統(tǒng)的硅太陽能電池不同，DSSCs包含有機吸光染料混合物，這些混合物為二氧化鈦（TiO2）等微小顆粒添加涂層，這些顆粒被電解液包圍。
在標準DSSCs里，當染色分子吸引光子時，光能夠提高染色劑中電子的能量，使其跳到二氧化鈦微粒上。在那里，它會從微粒跳到微粒，直至到達電極，然后被收集起來，送入電路中。同時，其他電子從電解質(zhì)跳到染色劑，并使其恢復(fù)到初始狀態(tài)。
Gratzel表示，這里就有個麻煩。1991年Gratzel研究小組發(fā)明了DSSCs，但其染色劑不能吸收所有的光，因此降低了電池的能效。為了做得更好，Miyasaka將注意力轉(zhuǎn)向鈣鈦礦。他的研究小組花費了兩年時間，尋找能使這種物質(zhì)變穩(wěn)定的秘方。他們使用了一層薄薄的吸光鈣鈦礦層，能效達3.8%。但不幸的是，這種電池也包含液體電解質(zhì)，會在幾分鐘內(nèi)溶解鈣鈦礦，以致電池失效。
之后，Gratzel與韓國成均館大學(xué)的Nam-Gyu Park合作邁出了下一步。2012年，他們宣布使用固體取代了原來的液體，能效接近10%。現(xiàn)在，事情開始變得有趣。
越來越好
當其他技術(shù)還在為突破12%競爭時，鈣鈦礦太陽能電池為何能遙遙領(lǐng)先？Cahen表示，正確答案的一部分是，鈣鈦礦有近乎完美的結(jié)晶度。這是砷化鎵和晶體硅等頂級太陽能電池材料共有的特征。
在第二類電池材料中，這種晶體排列充斥著許多瑕疵。當電荷快速通過晶體陷入瑕疵時，它們通常會放棄額外的能量。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價值數(shù)百萬美元的設(shè)備。但是鈣鈦礦能在80攝氏度下被制成，并能從溶液中簡單沉淀析出近乎完美的形式。“有一點美夢成真的感覺。”Cahen說。
今年10月，英國牛津大學(xué)Henry Snaith研究小組和Gratzel小組等宣布，他們獲得了更完美的結(jié)果：鈣鈦礦能允許電荷在材料里穿行很長的距離。這種被稱為載流子擴散長度的性能對所有太陽能電池都非常重要。它用于衡量一個電子在遇到帶正電荷的電子空位或坑洞并掉入之前能走多遠。在這個過程中，電子會放棄從陽光的光子獲得的多余能量，產(chǎn)生熱能而非電力。
有機太陽能電池的擴散長度大約為10納米。相比之下，鈣鈦礦的擴散長度是前者的100倍。“結(jié)果是，你能收集通行了更長距離的電荷。”Gratzel說。
鈣鈦礦還有另一個價值很高的特性：產(chǎn)生電壓的效率。例如，在晶體硅太陽能電池中，需要從光子獲得至少1.1電子伏（eV）的能量，從而將一個電子反沖出硅原子的束縛，成為自由電子。然后，電子到達電極，再進入電路，它們的電壓會降至0.7eV，僅喪失了0.4eV——這也是硅在商業(yè)上取得成功的部分原因。
對于傳統(tǒng)的DSSCs和有機太陽能電池而言，這些損耗約為0.7eV～0.8eV。但是，鈣鈦礦的損耗僅有0.4eV，與商業(yè)利益相匹配。“鈣鈦礦的這些優(yōu)點非常好。”Yang說，“這就是我們想要的。”Yang小組在過去10年里花費大量時間研究有機太陽能電池，將其效能提高到接近11%。但是，之后他們開始研究鈣鈦礦，“我們在5個月里使其能效達到13%。”Yang說。
另外，鈣鈦礦在吸收藍色和綠色光子方面比硅更好。鈣鈦礦的生成溫度比玻璃的熔點低，工程師能夠?qū)⑺鼈冎苯愉佋诠桦姵夭Ａ繉拥捻敹恕cGehee表示，這一策略可能制造廉價串聯(lián)電池，但是沒有人這樣做過。
遭遇障礙
太陽能電池企業(yè)需要新的活力。近年來，太陽能電池價格下降，經(jīng)過殘酷的商業(yè)淘沙，大量相關(guān)企業(yè)紛紛破產(chǎn)。Gratzel指出，風險投資公司以及科學(xué)基金機構(gòu)，對支持有機太陽能光伏電板和DSSCs等進展緩慢研究的熱情逐漸冷卻。他補充道：“相關(guān)企業(yè)的情緒非常低落”。因此鈣鈦礦來得正是時候，“我們需要激勵”。
即便如此，在鈣鈦礦太陽能電池為進入市場作好準備前還有很長的路要走。首先，Cahen說，目前實驗室里制造的大部分電池是微小的，僅幾厘米大。相比之下，硅電池板直徑能達數(shù)米。“很難生產(chǎn)較大的鈣鈦礦連續(xù)膜。”Cahen說。而且沒有研究人員能解決耐久性問題。鈣鈦礦電池對氧氣非常敏感，會與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而破壞晶體結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生水蒸氣，溶解鹽狀的鈣鈦礦。更糟的是，目前最好的鈣鈦礦中的鉛可能會濾出，污染屋頂和土壤。
“這里也存在許多困難。”Cahen說，“此時，我是一個樂觀主義者，并且是材料研究的信徒。”有關(guān)鈣鈦礦的諸多挑戰(zhàn)需要解決，“該領(lǐng)域在未來幾年中將非常活躍”。Gratzel說。全球太陽能電池市場價值每年將達到近500億美元，研究人員有動力推進該領(lǐng)域的發(fā)展。
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