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當(dāng)前太陽(yáng)能電池中的光電材料普遍使用的是硅材料，硅電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，但它的制作成本也高，而且在制作過程中需要消耗大量化石能源、產(chǎn)生污染環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)，于是發(fā)展新一代低成本太陽(yáng)能電池成為了各國(guó)科學(xué)家為之奮斗的目標(biāo)。
鈣鈦礦材料自2009年首次應(yīng)用于光伏發(fā)電后，在短短幾年時(shí)間里，實(shí)驗(yàn)室中光電轉(zhuǎn)換效率就已經(jīng)從3％提高到了20％，被視為極具競(jìng)爭(zhēng)力、最有希望實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的光伏技術(shù)之一。
鈣鈦礦電池成本只有一般太陽(yáng)能電池的1/5
1839年，一位俄羅斯礦物學(xué)家在俄羅斯烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦，人們就以他的名字命名了鈣鈦礦，最初單指鈦酸鈣這種礦物，后來(lái)把結(jié)構(gòu)與之類似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質(zhì)。隨后人們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦非常適用于光伏領(lǐng)域，由于其所需的原材料儲(chǔ)量豐富，制備工藝簡(jiǎn)單且可以采用低溫、低成本的工藝實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的薄膜產(chǎn)品，從而擁有誘人的前景。這些有著高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)的薄膜甚至可以與在高溫下以高成本獲得的硅片的晶體質(zhì)量媲美，實(shí)現(xiàn)柔性化和"卷對(duì)卷"式的規(guī)模化生產(chǎn)。
鈣鈦礦電池是如何制作的？簡(jiǎn)單來(lái)講，工程師只要溶液把鈣鈦礦身上的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物溶化，調(diào)配成一種特殊的"墨水"，然后，將"墨水"均勻地刷到導(dǎo)電玻璃上，印刷三到四次后進(jìn)行沉積，一塊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池就形成了。并且由于材料便宜，工藝簡(jiǎn)單，成品價(jià)格就有下降的空間。
目前，世界上主要有3種類型的太陽(yáng)能電池，它們的轉(zhuǎn)化效率都高，但造價(jià)也高。一種是最"高貴"的多結(jié)太陽(yáng)能電池。這種電池用于衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)46%，造價(jià)昂貴。二種是最常見的晶硅太陽(yáng)能電池。用它做成的光伏發(fā)電面板隨處可見，光電轉(zhuǎn)換效率約在18%，每平方米造價(jià)為500元至700元。三種是薄膜太陽(yáng)能電池。它的特點(diǎn)是薄，厚度為晶硅電池的1/10，轉(zhuǎn)換效率約為10%-12%。
根據(jù)華中科技大學(xué)印刷介觀太陽(yáng)能電池材料與器件團(tuán)隊(duì)的研究成果顯示，太陽(yáng)能電池造價(jià)居高不下，是光伏發(fā)電推廣難的一個(gè)主要原因，比如現(xiàn)在市面上推出的一種分布式薄膜太陽(yáng)能產(chǎn)品"漢瓦"，可直接鋪在屋頂上，其定價(jià)為1390元/平方米，如果采用鈣鈦礦電池，每平米預(yù)計(jì)成本只有當(dāng)前的1/5。
穩(wěn)定性是最致命的弱點(diǎn)
盡管鈣鈦礦電池的科研工作取得了可喜的成績(jī)，但是在進(jìn)行商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)之前還必須先解決一些難題，首先電池含毒，鈣鈦礦電池材料含有鉛，而美國(guó)西北大學(xué)也已研發(fā)出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，不過這種電池的轉(zhuǎn)換效率還只有6％，目前處于研發(fā)初級(jí)階段，效率還有提升空間；其次電池性經(jīng)能不穩(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；最后電池壽命不長(zhǎng)，目前，由華中科技大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作研發(fā)的的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命最長(zhǎng)可達(dá)到1000小時(shí)，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。
在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的諸多難題中，穩(wěn)定性是最致命的弱點(diǎn)。由于鈣鈦礦對(duì)潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會(huì)很快分解，因此必須對(duì)其進(jìn)行防水封裝。
關(guān)于如何解決穩(wěn)定性的難題，來(lái)自英國(guó)牛津、劍橋和巴斯大學(xué)、美國(guó)麻省理工和荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過謹(jǐn)慎使用光和濕度，晶體鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的缺陷可以被永久修復(fù)。研究團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)鈣鈦礦器件，在制造完成前，他們將其暴露在光、氧和濕度中30分鐘，然后沉積其余的層面來(lái)完成器件的制造。通過研究發(fā)現(xiàn)光線的使用和適當(dāng)?shù)臐穸人?，能使電子與氧氣結(jié)合形成超氧化物，防止缺陷阻礙電子。濕度的存在使鈣鈦礦表面變成了一個(gè)保護(hù)殼，去除了表面的缺陷，鎖住了超氧化物，使修復(fù)效果得以持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。
另外就在不久前，中科院大連化物所潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉生忠研究員帶領(lǐng)硅基太陽(yáng)能電池研究團(tuán)隊(duì)與陜西師范大學(xué)趙奎副教授合作，在二維(2D)鈣鈦礦電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展。在2017年中國(guó)光伏學(xué)術(shù)大會(huì)上劉生忠介紹，與3D鈣鈦礦電池相比，2D有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料擁有可調(diào)的光電性能和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性兩大優(yōu)點(diǎn)。由于2D鈣鈦礦存在吸收系數(shù)低、電荷傳輸能力差和激子結(jié)合能大等問題，導(dǎo)致其光伏性能差，電池效率低下。研究人員在二維鈣鈦礦中摻雜銫元素，使得電池效率提高13.7%，是目前報(bào)道的二維器件中最高效率。研究中發(fā)現(xiàn)，銫Cs元素的加入有利于控制晶體取向，增加2D平面的晶粒尺寸，增強(qiáng)載流子遷移率和電荷傳輸動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，2D鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性得到了顯著地提升，在30%濕度情況下，經(jīng)過1400小時(shí)后，器件的效率仍然保持89%。這將有助于推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用。
商用或與硅電池結(jié)盟
在商業(yè)開發(fā)方面，目前已有鄂州市昌達(dá)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)公司投資成立了湖北萬(wàn)度光能有限責(zé)任公司，用以支持華中科技大學(xué)印刷介觀太陽(yáng)能電池材料與器件團(tuán)隊(duì)進(jìn)行鈣鈦礦電池的商業(yè)應(yīng)用與開發(fā)。
根據(jù)當(dāng)前的情況看，鈣鈦礦電池或許可以與硅電池結(jié)成"聯(lián)盟"，從而在現(xiàn)有的光伏市場(chǎng)上形成有力競(jìng)爭(zhēng)。相關(guān)研究人員稱，在硅層上方加一層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，可以將二者結(jié)合并形成一個(gè)"疊層"太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦材料能夠很好地利用太陽(yáng)光中能量較高的光（如藍(lán)光或紫外光），這正好是硅所無(wú)法吸收的部分，這樣便能激發(fā)更多具有較高能量和光電壓的電子。研究者們預(yù)測(cè)，未來(lái)如果將最好的硅組件和鈣鈦礦器件合理地整合在一起，在不用大幅改動(dòng)兩者制造技術(shù)的情況下就可以獲得超過30%的效率，同時(shí)，周邊系統(tǒng)成本也將會(huì)大大降低。
另外，雖然鈣鈦礦電池所需的原材料十分充足，且可以較低溫度下使用廉價(jià)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，但還需要考慮"周邊系統(tǒng)成本"，這包括安裝材料和人力成本、安裝許可證和系統(tǒng)檢查相關(guān)費(fèi)用以及其他相關(guān)的費(fèi)用。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的迅速崛起也為科學(xué)家們和工程師們帶來(lái)了其他方面的啟發(fā)，如可以利用鈣鈦礦材料來(lái)制備其他類型的光電功能器件。此前，研究人員已用金屬鹵化物鈣鈦礦材料制造出發(fā)光二極管（LED）和激光器，它們能通過冷發(fā)光過程有效地放出光。盡管針對(duì)此類新穎產(chǎn)品的研究才剛剛開始，但研究者相信，這一領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越受到大家的關(guān)注。
來(lái)源：光伏產(chǎn)業(yè)觀察網(wǎng)
