鈣鈦礦太陽能電池即將商用 有望將轉(zhuǎn)化效率提升至37%

:在德國哈弗爾河畔勃蘭登堡郊區(qū)的一家工廠，身著潔凈室工裝的技術(shù)工人正在將閃亮的薄方塊裝進平板組件中，這將是未來市場上最好的光伏電池板。

這家試點工廠屬于英國牛津大學(xué)校辦公司牛津光伏（Oxford PV）。自2012年起，該公司便致力于鈣鈦礦晶體光伏電池的商業(yè)化。10年前，日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力（Tsutomu Miyasaka）研究小組宣布首批鈣鈦礦光伏電池問世。但是這些早期的實驗室原型非常不穩(wěn)定，效能僅有3.8%。

后來，研究人員和制造商在效能方面取得了巨大進步，并解決了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴展性問題。例如，2018年6月，牛津光伏公布了其里程碑式的最新效率，達到27.3%。相比之下，當(dāng)前的硅光伏效率的最好紀(jì)錄是26.7%，而商用硅板的效率還要低得多。

目前，該公司正著手推出全球首個商用疊層硅-鈣鈦礦光伏模組，將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅光伏設(shè)備相結(jié)合。牛津光伏首席技術(shù)官克里斯•凱斯（Chris Case）表示，光伏組件的外觀和性能與傳統(tǒng)硅光伏電池板非常相似。主要的不同在于，它們產(chǎn)生的電量更多。

鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)7年前尚不存在，而今天其發(fā)展已十分引人注目。現(xiàn)在，有幾十家公司競相將此技術(shù)推向市場。全球數(shù)百名研究人員正在研究新型鈣鈦礦材料和處理方法，研究如何使設(shè)備工作。截至本文發(fā)稿之時，凱斯認(rèn)為2018年關(guān)于鈣鈦礦的學(xué)術(shù)論文數(shù)量有望突破5000篇（包括有關(guān)鈣鈦礦光電探測器、X射線探測器和發(fā)光二極管的報告）。

短短10年間，鈣鈦礦已經(jīng)從刁鉆、低效的實驗設(shè)備發(fā)展為達到或超越傳統(tǒng)光伏電池性能的商業(yè)級產(chǎn)品。除有機發(fā)光二極管、染料敏化或量子點光伏電池外，沒有其他光伏技術(shù)可以與之相媲美。

凱斯稱：“目前我們正處于歷史的轉(zhuǎn)折點?，F(xiàn)在，在全球大多數(shù)地方，無補貼的光伏發(fā)電成本低于其他任何形式的發(fā)電。”他認(rèn)為鈣鈦礦將確保光伏的主宰地位。

鈣鈦礦的誘人之處是，在將光子轉(zhuǎn)化為電能方面比硅更為優(yōu)越。

科羅拉多州戈爾登國家可再生能源實驗室鈣鈦礦光伏團隊負(fù)責(zé)人約瑟夫•貝瑞（Joseph Berry）說：“我的一個同事喜歡說，如果你要選擇一種理想的光伏材料，你絕不會選硅。（硅）能成為一種重要材料，是因為所有研發(fā)資金都投資于硅（用于集成電路和光伏）?！?/p>

貝瑞稱：“高純度無瑕疵的硅才具備我們垂涎的特性。鈣鈦礦能夠容忍瑕疵的存在。我們無須精心處理材料就可獲得極具競爭力的設(shè)備效能?！扁}鈦礦還可用于各種低成本的生產(chǎn)方法，包括旋涂和卷對卷印刷。美國國家可再生能源實驗室的研究人員甚至開發(fā)出一種可作畫的鈣鈦礦墨水。

貝瑞預(yù)測，如果建造一座10億瓦特規(guī)模的鈣鈦礦光伏組件電廠，最終成本大約是目前建造一座類似規(guī)模硅光伏電池板工廠的1/10。最終產(chǎn)品柔韌且近乎透明，因此專家設(shè)想可使用它們作為窗玻璃和建筑物的噴涂涂層。

鈣鈦礦最初是指含鈣、鈦和氧的礦物，于1839年首次被發(fā)現(xiàn)。此后，鈣鈦礦指代一大類具有與此類礦物相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物。其化學(xué)成分簡寫為AMX3，其中A通常代表有機分子，M代表金屬（如鉛或錫），X代表鹵素（如碘或氯）。桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂研究團隊用化合甲基銨三碘化鉛制成了首個鈣鈦礦電池。但牛津光伏的凱斯認(rèn)為，成千上萬種化合物都可以形成這種晶體結(jié)構(gòu)。

無論化學(xué)性質(zhì)如何，鈣鈦礦光伏電池都必須滿足3個基本商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)：穩(wěn)定性、效能和可擴展性。凱斯稱，他的公司將硅薄膜和鈣鈦礦組合成“疊層”電池，解決了上述3個問題。這種電池可以使用目前的光伏電池板制造方法生產(chǎn)。

早在2012年公司開始研究鈣鈦礦時，牛津光伏就瞄準(zhǔn)了可以涂在玻璃上，用于窗戶和其他建筑構(gòu)件的純鈣鈦礦產(chǎn)品。凱斯稱：“這是一個杰出的創(chuàng)意，但我們意識到步入商業(yè)化可能還需要5到10年。我們力求縮短交付時間。”

當(dāng)陽光進入牛津光伏的疊層電池時，光子穿過透明電極層，抵達鈣鈦礦層，鈣鈦礦層吸收較短的波長（趨向于光譜的藍色端）。未被吸收的光子穿過一個稀薄結(jié)合層，遇到吸收較長波長的硅層。最終，更多的可用光被電池吸收。

凱斯解釋道：“要制造出效能為26%甚至30%的疊層電池，只需要效能15%到17%的鈣鈦礦層，外加效能為20%的普通硅層?！?/p>

研究疊層鈣鈦礦的遠不止牛津光伏一家公司。其他參與者包括日本的東芝和松下，以及斯坦福大學(xué)的串聯(lián)光伏公司（Tandem PV）。與此同時，還有一些公司繼續(xù)押注純鈣鈦礦光伏電池：波蘭的索樂科技（Saule Technologies）、中國的萬度光能和纖納光電，以及美國的初創(chuàng)公司能源材料公司（EMC）。

與牛津光伏一樣，能源材料公司最初也并非一家鈣鈦礦光伏公司。能源材料公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官斯蒂芬•德盧卡（Stephan DeLuca）表示：“最初，我們在亞特蘭大開發(fā)光學(xué)天線，這是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的特別方式?！彼f，大約3年前， “我們意識到商業(yè)化的道路還很漫長。”能源材料公司轉(zhuǎn)向光伏鈣鈦礦。

這家初創(chuàng)公司主要研究鈣鈦礦電池的精密卷繞對位技術(shù)的商業(yè)化。德盧卡說：“若要讓其以低成本與硅競爭，就必須加快速度。我們的目標(biāo)是使用1.5米寬、速度達50米每分鐘的滾卷。需要提高到這個速度?！?/p>

德盧卡稱，像牛津光伏和其他公司那樣使用真空鍍膜，意味著“需要把薄膜煮上半個小時，所以提速難度更大”。他補充道，采用精密卷繞對位方法建立一家鈣鈦礦光伏電廠，要比用傳統(tǒng)硅技術(shù)的成本低得多。

幾年前，為了利用伊士曼柯達公司提供的代工生產(chǎn)設(shè)施，能源材料公司搬到了紐約州羅切斯特市。目前能源材料公司的電池有5層，由精密卷繞機一步完成。

能源材料公司的鈣鈦礦電池基于黃勁松及其北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的團隊開發(fā)的一種器件架構(gòu)。黃勁松稱：“該領(lǐng)域多使用所謂的NIP結(jié)構(gòu)?！盢IP結(jié)構(gòu)是指上層是負(fù)摻雜（或n型）材料，中層未摻雜“固有”材料，底層是正摻雜（或p型）材料的設(shè)備。NIP結(jié)構(gòu)的一個缺點是，其需要約200℃的制造溫度，這增加了其成本，限制了制造方法。

能源材料公司的設(shè)備采用PIN結(jié)構(gòu)，頂層是p型材料。“我們發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)性能更好，可采用室溫工藝制造?！笔覝毓に嚢ň芫砝@印刷。黃勁松說：“這絕對是你能想到的最快方法?，F(xiàn)有很多聚合物薄膜一類的產(chǎn)品的供應(yīng)商。你不必重新研制任何設(shè)備?！?/p>

盡管取得了巨大成果并開展了密集的活動，但一些光伏研究人員仍對鈣鈦礦的潛力持懷疑態(tài)度。在最近一次接受光伏雜志采訪時，澳大利亞光伏先驅(qū)馬丁•格林（Martin Green）指出：“必須解決現(xiàn)有的各種不穩(wěn)定因素?！边@些不穩(wěn)定因素包括對濕度、氧甚至光的敏感性。

格林表示：“硅制造商很少采用比基準(zhǔn)產(chǎn)品效率高但穩(wěn)定性差的產(chǎn)品，因為制造商不希望在穩(wěn)定性方面自毀聲譽；事實上，這可能是致命的?！?/p>

能源材料公司的德盧卡稱，并非所有鈣鈦礦都存在這一缺陷。他說：“某些說鈣鈦礦配方和器件堆疊不穩(wěn)定的報告對于材料研究非常重要，但也讓人們誤以為所有鈣鈦礦類材料都是不穩(wěn)定的。”造成這種誤解的部分原因可能在于仍為學(xué)術(shù)研究人員廣泛使用的甲基銨三碘化鉛是一種不穩(wěn)定的化合物?！耙@得穩(wěn)定的器件，需要正確選擇鈣鈦礦材料和構(gòu)成堆疊器件的其他層?！?/p>

凱斯稱，牛津光伏的電池性能相當(dāng)穩(wěn)定，并通過了標(biāo)準(zhǔn)光伏組件的各項主要加速壽命測試。該公司將于2019年交付首批組件，目前正與一家名稱不詳?shù)摹爸饕韫夥姵睾徒M件制造商”合作。

2018年9月，公司與牛津大學(xué)啟動了為期5年的聯(lián)合研究項目，耗資500萬英鎊（640萬美元），力求使效能達到37%。如項目成功，光伏組件的電力轉(zhuǎn)換能力將是目前商品光伏板的近兩倍。如牛津光伏未達成該目標(biāo)，另有一家公司可能會達到。

在美國國家可再生能源實驗室的貝瑞看來，不必急于將未經(jīng)全面審查的產(chǎn)品和技術(shù)推向市場。

貝瑞稱：“最初，我并非忠實的信徒。我認(rèn)為，如果有致命的缺陷，我們就加以彌補，然后繼續(xù)前進。4年后的今天，我認(rèn)為這項技術(shù)確實有機會改變世界。這種機會不是每天都有的，你肯定不想錯過?！?/p>

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