新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池：穩(wěn)定、高效且相對(duì)便宜

:近日，日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）的研究人員采用一種穩(wěn)定、高效且相對(duì)便宜的鈣鈦礦材料開(kāi)發(fā)出新型太陽(yáng)能電池。

背景

太陽(yáng)能，是頗具代表性的新能源之一。其優(yōu)勢(shì)包括：清潔、可再生、無(wú)污染、易獲取等等。為了將太陽(yáng)光的能量直接轉(zhuǎn)化為電能，我們通常要借助一種設(shè)備：太陽(yáng)能電池。如今，太陽(yáng)能電池在我們的身邊到處可見(jiàn)，例如：窗戶、墻壁、汽車(chē)、智能手機(jī)、平板電腦等物品中都會(huì)見(jiàn)到太陽(yáng)能電池的身影。

迄今為止，大多數(shù)的太陽(yáng)能電池都是由硅制成，因?yàn)檫@種材料非常善于吸收光線?？墒牵杳姘宓闹圃斐杀緟s很昂貴。

科學(xué)家們一直都在研究由鈣鈦礦組成的結(jié)構(gòu)，使之成為硅的替代品。真正的鈣鈦礦，是一種存在于地球中的礦物，它由鈣、鈦、氧分子經(jīng)過(guò)特殊排列而成。具有相同晶體結(jié)構(gòu)的材料稱(chēng)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

相比于共棱、共面形式連接的結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)顯得更加穩(wěn)定，更有利于缺陷的擴(kuò)散遷移。因此，鈣鈦礦具備了許多優(yōu)異的物理化學(xué)特性，例如電催化性、吸光性等。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)非常適合作為太陽(yáng)能電池吸收光線的活性層，因?yàn)樗鼈兾展饩€的效率比硅更高，且成本更低廉。將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)集成到太陽(yáng)能電池中，需要采用的設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單。例如，它們可以溶解到溶劑中，直接噴涂到基底上面。

由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)組成的材料有望為太陽(yáng)能電池設(shè)備帶來(lái)一場(chǎng)革命，但是卻具有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷：它們通常很不穩(wěn)定，在高溫條件下性能會(huì)退化。這嚴(yán)重阻礙了它們的商用。

創(chuàng)新

日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）能量材料與表面科學(xué)單位的研究人員，由YabingQi教授領(lǐng)導(dǎo)，采用一種穩(wěn)定、高效且相對(duì)便宜的鈣鈦礦材料開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)能電池，同時(shí)也為這種鈣鈦礦材料未來(lái)在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用鋪平了道路。

他們的研究論文最近發(fā)表于《先進(jìn)能源材料（Advanced Energy Materials）》雜志。博士后學(xué)者JiaLiang博士和ZonghaoLiu博士對(duì)這項(xiàng)研究作出了主要貢獻(xiàn)。

技術(shù)

這種材料具有幾種關(guān)鍵特征。首先，它是完全無(wú)機(jī)的（一個(gè)重要的變化），因?yàn)橛袡C(jī)成分通常不耐熱，性能會(huì)在高溫條件下退化。因?yàn)樘?yáng)能電池會(huì)在太陽(yáng)光照射下變得過(guò)熱，所以熱穩(wěn)定性顯得非常關(guān)鍵。通過(guò)無(wú)機(jī)材料取代有機(jī)成分，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池會(huì)變得更加穩(wěn)定。

如下圖所示，這種全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有幾層。底層是僅有幾毫米厚的玻璃，第二層是透明導(dǎo)電材料FTO，接下來(lái)是由二氧化鈦組成的電子活性層，第四層是光敏鈣鈦礦，頂層是碳。

下圖是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電子顯微鏡圖像，它顯示出不同的層。

論文作者之一的ZonghaoLiu博士說(shuō)：“太陽(yáng)能電池在暴露于光線中300小時(shí)后，幾乎未發(fā)生改變。”

然而，所有的無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都比有機(jī)無(wú)機(jī)混合物的光線吸收率要低。第二個(gè)特征也由此而來(lái)：OIST的研究人員將新型電池與錳摻雜，以改善其性能。錳改變了材料的晶體結(jié)構(gòu)，提升了光線吸收能力。Liu表示：“就像你將鹽放入一盤(pán)菜中來(lái)改變它的口味一樣，當(dāng)我們添加錳的時(shí)候，它改變了太陽(yáng)能電池的特性。”

第三，在這些太陽(yáng)能電池中，在太陽(yáng)能電池之間傳輸電流的電極和外部電線都是由碳組成，而不是通常用的金。這些電極特別便宜且易于制造，一部分是由于它們能夠直接印刷到太陽(yáng)能電池中。從另外一方面說(shuō)，制造金電極則需要高溫條件以及真空室等特殊設(shè)備。

價(jià)值

總結(jié)一下，這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)出的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：熱穩(wěn)定性好、光線吸收率高、制造工藝簡(jiǎn)單且成本低。因此，這項(xiàng)研究也為未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大規(guī)模商用奠定了基礎(chǔ)。

未來(lái)

在變成像硅太陽(yáng)能電池一樣的商用產(chǎn)品之前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍有一系列的挑戰(zhàn)需要克服。例如，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可保持運(yùn)行一到兩年，而硅太陽(yáng)能電池可運(yùn)行達(dá)二十年。

為了改善這些新型電池的效率和持久性，Qi及其同事們正努力工作，同時(shí)也在開(kāi)發(fā)制造商用產(chǎn)品的工藝。2009年，首個(gè)太陽(yáng)能電池被報(bào)道開(kāi)發(fā)出來(lái)。此后，這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展迅猛，這些新型電池的前景看上去很光明。

原標(biāo)題:新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池：穩(wěn)定、高效、便宜、便于制造！