我們通常見到的太陽能電池板，是用晶體硅材料制成的。這種晶體硅太陽能電池從20世紀(jì)70年代開始研制至今，光電轉(zhuǎn)換效率最高能達(dá)到25%，這期間經(jīng)歷了將近50年的時(shí)間。而目前最熱門的研究領(lǐng)域則是鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池（下文簡(jiǎn)稱鈣鈦礦太陽能電池），從2009年到2014年的5年間，光電轉(zhuǎn)換效率便從3.8%躍升至19.3%，提高了5倍。鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步如此之大，而且比傳統(tǒng)的硅電池更便宜、更易生產(chǎn)，《科學(xué)》（Science）期刊把它評(píng)為2013年的10大科學(xué)突破之一。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）發(fā)布了截止2014年初，各類太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)錄。目前轉(zhuǎn)換效率的最高記錄是由夏普生產(chǎn)的聚光型三結(jié)太陽能電池創(chuàng)造的，高達(dá)44.4%。本文介紹的鈣鈦礦太陽能電池在統(tǒng)計(jì)時(shí)為17.9%（見圖中圓圈），目前鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率已被加州大學(xué)洛杉磯分校的楊陽教授的團(tuán)隊(duì)提高到了19.3%。

鈣鈦礦是什么？

在俄羅斯庫(kù)薩發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦礦石，藏于哈佛自然歷史博物館Credit: La2O3 (CC BY-SA 3.0 license)。

鈣鈦礦（perovskite）是德國(guó)礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）在1839年，于俄羅斯中部境內(nèi)的烏拉爾山脈上發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦巖石樣本，決定以他心中偉大的地質(zhì)學(xué)家Lev Perovski來命名這種礦石。該礦石是普通的金屬有機(jī)化合物晶體，主要成分是鈦酸鈣（CaTiO3 ）。后來人們所指的鈣鈦礦電池，并不是用他發(fā)現(xiàn)的這種礦石材料制成的，而是使用了與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)相似的化合物。

鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖

鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)是ABX3的形式。這種結(jié)構(gòu)在每個(gè)角共享一個(gè)BX6正八面體，其中B是金屬陽離子（Sn2+或Pb2+），X是一價(jià)陰離子（Cl-，Br-或I-）。鈣鈦礦中的陽離子A被用來抵消電荷使材料達(dá)到電中性，它可以是半徑較大堿金屬離子等，甚至可以是一個(gè)分子。這種奇特的晶體結(jié)構(gòu)讓它具備了很多獨(dú)特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學(xué)、物理領(lǐng)域有不小的應(yīng)用。鈣鈦礦大家族里現(xiàn)已包括了數(shù)百種物質(zhì)，從導(dǎo)體、半導(dǎo)體到絕緣體，范圍極為廣泛，其中很多是人工合成的。太陽能電池中用到的鈣鈦礦（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）屬于半導(dǎo)體，有良好的吸光性。

5年時(shí)間，從3.8%到19.3%

2009年時(shí)，桐蔭橫浜大學(xué)的宮坂力（Tsutomu Miyasaka）率先通過將薄薄的一層鈣鈦礦（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）當(dāng)做吸光層應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，制造出了鈣鈦礦太陽能電池。當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換率為3.8%。后來研究者對(duì)電池進(jìn)行了改進(jìn)，轉(zhuǎn)換效率一下翻了一倍。雖然轉(zhuǎn)換效率提高了，但還要面對(duì)一個(gè)致命問題——鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易被電池的液體電解質(zhì)破壞，導(dǎo)致電池穩(wěn)定性低，壽命短。

2012年8月，由格拉茲爾（Grätzel）領(lǐng)導(dǎo)的韓國(guó)成均館大學(xué)與洛桑理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室將一種固態(tài)的空穴傳輸材料（hole transport materials，HTM）引入太陽能電池，使電池效率一下提高到了10%，而且也解決了電池不穩(wěn)定的問題，新型的鈣鈦礦太陽能電池比以前用液體電解液時(shí)更容易封裝了。這之后，鈣鈦礦太陽能電池成為了新的研究熱點(diǎn)。

格拉茲爾實(shí)驗(yàn)室2013年在《自然》（Nature）期刊上發(fā)表的論文中，用掃描電子顯微鏡觀察到的鈣鈦礦電池橫截面圖像。從上往下依次是金（作為陽極）、HTM空穴傳輸層，TiO2/CH3NH3PbI3（鈣鈦礦）、FTO透明導(dǎo)電玻璃，以及位于最下層的玻璃。

在層出不窮的鈣鈦礦太陽能電池相關(guān)研究中，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦不僅吸光性好，也是不錯(cuò)的電荷運(yùn)輸材料。他們不斷對(duì)鈣鈦礦材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，以提高鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換率。于是就在同年，牛津大學(xué)的亨利·司奈斯（Henry Snaith）將電池中的TiO2用鋁材（Al2O3）進(jìn)行了代替，這樣鈣鈦礦在電池片中就不僅是光的吸收層，也同樣可作為傳輸電荷的半導(dǎo)體材料。由此，鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率一下攀升到15％。司奈斯表示，“鈣鈦礦電池的發(fā)展太快了，我覺得這個(gè)記錄很可能馬上被打破。”

果然，就在今年8月，加州大學(xué)洛杉磯分校的華裔科學(xué)家楊陽領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)》（Science）期刊上發(fā)表最新研究論文稱，他們通過改進(jìn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)層，選擇更適合傳輸電荷的材料，讓電池兩端的電極能收集更多的電。這次研究中，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到了19.3％，成為該領(lǐng)域之最。

未來的清潔能源？

雖然我們已經(jīng)能夠量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25％的晶硅太陽能電池，以及轉(zhuǎn)換效率17％的CIGS（銅銦鎵錫）太陽能電池，但我們應(yīng)該意識(shí)到，這些太陽能電池在產(chǎn)生清潔能源時(shí)，其生產(chǎn)成本并不低，在原料生產(chǎn)中也會(huì)造成一定的環(huán)境污染。而其他已量產(chǎn)的有機(jī)薄膜太陽能電池和有機(jī)無機(jī)雜化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率則還停留在10％左右。

鈣鈦礦太陽能電池不僅轉(zhuǎn)換效率有明顯優(yōu)勢(shì)，制作工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)室中常采用液相沉積、氣相沉積工藝，以及液相/氣相混合沉積工藝制作。因此，更便宜、更容易制造的鈣鈦礦太陽能電池，很有可能改變整個(gè)太陽能電池的格局。今后，它的發(fā)電成本甚至有可能會(huì)比火力發(fā)電還低。

不過，我們還不能急著向它“托付終身”，想要實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的巨大商業(yè)價(jià)值，目前還有3個(gè)難題急需解決：

1.有毒。鈣鈦礦電池材料含有鉛，這是一種對(duì)人體和環(huán)境有極大危害的元素。美國(guó)西北大學(xué)已研發(fā)出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池，不過這種電池的轉(zhuǎn)換效率還只有6％。這種電池還處于研發(fā)初級(jí)階段，效率在未來還有提升空間；

2.不穩(wěn)定。鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發(fā)，而當(dāng)晶體遇水時(shí)則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發(fā)電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生威脅；

3.壽命不長(zhǎng)。目前，壽命最長(zhǎng)的鈣鈦礦太陽能電池可達(dá)到1000小時(shí)，由華中科技大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作研發(fā)。而傳統(tǒng)晶硅電池壽命一般可達(dá)到25年，比鈣鈦礦電池長(zhǎng)得多。

盡管鈣鈦礦的未來依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會(huì)放棄任何產(chǎn)生新能源的機(jī)會(huì)。也許有一天，人類就要靠它來提供電力了。