太陽(yáng)能電池如何變得更讓人用得起

:據(jù)俄羅斯衛(wèi)星通訊社sputniknews報(bào)道，太陽(yáng)能電池幾十年來(lái)都是世界各國(guó)學(xué)者關(guān)注的中心。許多專(zhuān)家認(rèn)為，人類(lèi)在太陽(yáng)能領(lǐng)域距離真正的革命不遠(yuǎn)了。除了慣用的硅電池技術(shù)外，還采用了鈣鈦礦。俄羅斯衛(wèi)星通訊社和廣播電臺(tái)的記者與光電和太陽(yáng)能領(lǐng)域的世界頂級(jí)專(zhuān)家、以色列內(nèi)蓋夫本·古里安大學(xué)（Ben Gurion University of Negev）教授葉甫根尼·卡茨進(jìn)行了交談，了解了太陽(yáng)能電池在不久的未來(lái)將如何運(yùn)行，以及等待人類(lèi)的是什么。

–葉甫根尼·阿道福維奇，近幾年來(lái)人們對(duì)光電的討論很多。早在2016年就有人預(yù)測(cè)，2017年可能成為超高光電轉(zhuǎn)化效率的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（perovskite solar cells的轉(zhuǎn)折年度。革命是否發(fā)生？人們對(duì)鈣鈦礦的這種關(guān)注與什么有關(guān)？

— 我們是見(jiàn)證者，就算不是革命，也是在有機(jī)-無(wú)機(jī)半導(dǎo)體新家族–所謂有機(jī)-無(wú)機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦（metal halide perovskites）的基礎(chǔ)上獲取高效太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展中最強(qiáng)勁的革命性飛躍。

如果說(shuō)2007年這些儀器的能效不超過(guò)3%的話(huà)，那么現(xiàn)在這個(gè)對(duì)太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)最重要的指標(biāo)已經(jīng)超過(guò)了24%。這非常高，距離迄今為止最常見(jiàn)的基于晶硅的太陽(yáng)能電池創(chuàng)紀(jì)錄的能效相當(dāng)近。

在此情況下，所有人理解，鈣鈦礦電池將非常廉價(jià)，因?yàn)檫@種薄膜儀器中的幾乎所有活性層最終都可以在打印機(jī)里從溶解混合物中打印出來(lái)。

但人們對(duì)這種新技術(shù)的主要興趣甚至與此無(wú)關(guān)。今天工業(yè)市場(chǎng)壓制晶硅太陽(yáng)能電池，其效率幾乎已經(jīng)達(dá)到了理論極限，不是很明白下一步該往哪里前行。

光電電池的出現(xiàn)改變了這種局勢(shì)：人們?cè)噲D建造所謂的串聯(lián)太陽(yáng)能電池或者雙層太陽(yáng)能電池，實(shí)際上，它由兩部分組成–上部分光電（對(duì)入射太陽(yáng)光線(xiàn)）和下部分硅。

所有的快樂(lè)之處在于，噴涂廉價(jià)鈣鈦礦電池幾乎不增加硅儀器的價(jià)格，但卻能極大增加其能效。如果今天硅電池能效所達(dá)到的記錄大約是26%的話(huà)，那么串聯(lián)鈣鈦礦-硅電池的記錄則是28%。也就是說(shuō)，我們跨越了獨(dú)特的心理”障礙”，在認(rèn)真談?wù)摪汛?lián)電池的能效提高到30%–35%的可能性。

當(dāng)一切發(fā)生時(shí)，革命將確實(shí)發(fā)生！主要興趣就與此有關(guān)！因此全世界有幾百個(gè)，或者也許，幾千個(gè)實(shí)驗(yàn)室在開(kāi)展這方面的工作，向研究和制造工業(yè)和半工業(yè)樣品投入巨資。

–是什么抑制了鈣鈦礦革命？

— 在我看來(lái)，鈣鈦礦電池的主要不足之處是它們?cè)谔?yáng)光線(xiàn)的作用下退化的相當(dāng)快。

硅電池的服役年限是25年，而光電電池的服役年限則是24年。這是抑制這種技術(shù)進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的主要的不足之處。

我們?cè)噲D增加這些儀器的操作穩(wěn)定性（operation stability）。我們的任務(wù)是制造出把高效率與長(zhǎng)久服役期限結(jié)合起來(lái)的電池。為此需要理解退化發(fā)生的物理-化學(xué)機(jī)制。

–除了硅和鈣鈦礦外，是否存在利用其它技術(shù)的太陽(yáng)能電池？

— 在實(shí)驗(yàn)室層面存在許多利用各種半導(dǎo)體材料的此類(lèi)技術(shù)，有機(jī)和無(wú)機(jī)，以及儀器結(jié)構(gòu)的各種方案。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，許多技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用都是同時(shí)進(jìn)行。但今天在電力的工業(yè)生產(chǎn)層面上，基于硅的太陽(yáng)能電池完全占主導(dǎo)地位。

–是什么讓普通人在太陽(yáng)能電池中應(yīng)用串聯(lián)技術(shù)：這可能更便宜還是更環(huán)保？

— 確實(shí)，電力價(jià)格便宜了。從環(huán)保的角度看–一切并不是只有一個(gè)意思。光電成分中含鉛，而鉛不是元素周期表中的生態(tài)元素。因此現(xiàn)在嘗試替代結(jié)構(gòu)中的鉛。但甚至是在今天的薄膜鈣鈦礦技術(shù)中，鉛含量比用鉛進(jìn)行電池焊接的硅技術(shù)中的鉛含量。在我看來(lái)，這里最重要的問(wèn)題也是電池的穩(wěn)定性。

–許多國(guó)家都在研究鈣鈦礦，并試圖利用鈣鈦礦。俄羅斯是否可以平等參與這項(xiàng)競(jìng)賽？俄羅斯國(guó)立研究型技術(shù)大學(xué)”莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院”在這里可能扮演何種角色？

— 美蘇兩個(gè)國(guó)家曾經(jīng)在光電太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)中處于領(lǐng)先地位。這無(wú)疑是由航天器供電的必要性決定的。1958年，在蘇聯(lián)發(fā)射首顆衛(wèi)星僅僅一年后，也就是在美國(guó)人首次展示硅太陽(yáng)能電池四年后，蘇聯(lián)和美國(guó)都發(fā)射了太陽(yáng)能電池供電的衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星分別是”3號(hào)衛(wèi)星”和先鋒1號(hào)衛(wèi)星。

蘇聯(lián)在創(chuàng)紀(jì)錄的短時(shí)間內(nèi)建立起了光電產(chǎn)業(yè)。主抓這些研究工作的是阿爾卡季·巴甫洛維奇·蘭茨曼。我想，今天說(shuō)出這個(gè)名字是公正的。當(dāng)然，還有諾貝爾獎(jiǎng)得主若列斯·伊萬(wàn)諾維奇·阿爾費(fèi)羅夫，在他的實(shí)驗(yàn)中研究出了異質(zhì)結(jié)和基于鎵的砷化物的多轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能電池。

在重建之后的俄羅斯，學(xué)院派科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)，以及技術(shù)集約型生產(chǎn)曾經(jīng)經(jīng)歷了嚴(yán)重的危機(jī)（也許危機(jī)仍在繼續(xù)）。年輕人無(wú)法養(yǎng)活家人，他們或者應(yīng)該轉(zhuǎn)變職業(yè)，或者離開(kāi)祖國(guó)。

今日的科學(xué)是一個(gè)國(guó)際社區(qū)，根據(jù)定義是國(guó)際的。限制思想和人員從一個(gè)國(guó)家流動(dòng)到另一個(gè)國(guó)家是不可能的。這方面的任何措施對(duì)科學(xué)來(lái)說(shuō)都是有害的。

但創(chuàng)造條件使學(xué)者們重返俄羅斯是可能的，也是重要的。我看到了這方面的正面進(jìn)展。首先是有助于吸引外國(guó)著名學(xué)者在俄羅斯建立先進(jìn)科研實(shí)驗(yàn)室的巨額資助計(jì)劃體系（Mega Grant）。

比如，俄羅斯國(guó)立研究型技術(shù)大學(xué)”莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院”向世界級(jí)光電研究領(lǐng)先人物之一阿利多·迪·卡洛（Aldo Di Carlo）伸出了橄欖枝。他在3年內(nèi)的任務(wù)是在這里建立鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室。我尤其喜歡這一點(diǎn)，因?yàn)槲易约菏?982年從莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院畢業(yè)的，也正是從這里師從謝苗·薩姆伊洛維奇·戈列利克教授開(kāi)始自己的光電研究事業(yè)的。

斯科爾科沃科技園（ Skoltech）是俄羅斯巨額資助計(jì)劃體系（Mega Grant）其他的成功參與者。順便說(shuō)一下，俄羅斯鈣鈦礦科學(xué)屆當(dāng)之無(wú)愧的領(lǐng)軍人物、多年的同事和共同作者帕維爾·特羅申教授所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就在那里工作。

我覺(jué)得，俄羅斯的主要潛力在大腦中，在智力水平上，首先是大學(xué)生和年輕學(xué)者的智力上。任務(wù)是保持這種潛力。否則不會(huì)成功建立實(shí)驗(yàn)室，更不會(huì)成功發(fā)明新技術(shù)。

–鈣鈦礦技術(shù)在多大程度上是通用的？在照明、激光和屏幕中使用的是否是同樣的鈣鈦礦技術(shù)？

— “鈣鈦礦”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是因CaTiO3的名稱(chēng)而出現(xiàn)的，今天我們把類(lèi)似這種礦物結(jié)構(gòu)的帶有晶格的許多材料都稱(chēng)為鈣鈦礦。因此它們的通用性高，在各種不同領(lǐng)域內(nèi)都有應(yīng)用，比如，這就像詢(xún)問(wèn)金屬用在哪里一樣。但其它儀器甚至是在那些應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中的金屬-鹵族光電的基礎(chǔ)上建造的，比如：發(fā)光二極管、激光、各類(lèi)傳感器。

–太陽(yáng)照射不足的許多國(guó)家都認(rèn)為，太陽(yáng)能電池在他們國(guó)家的條件下是低效的。光電技術(shù)的應(yīng)用是否將使這種情況發(fā)生變化？

— 需要所謂直接太陽(yáng)光的技術(shù)在北方國(guó)家不好用，因?yàn)樵茖拥奈蘸蜕⑸鋵O大降低陽(yáng)光的強(qiáng)度。但還存在散射光。如果有許多鈣鈦礦，太陽(yáng)能電池的運(yùn)行狀況要好一些，但如果光少，太陽(yáng)能電池仍然能夠運(yùn)行。

現(xiàn)在太陽(yáng)能電池變得如此廉價(jià)，它的使用在任何國(guó)家都將是有益的。而如果光電的想法成功得以實(shí)現(xiàn)，那么太陽(yáng)能電池的能效將提高，那么這將更加有益。

本次采訪(fǎng)是在俄羅斯國(guó)立研究型技術(shù)大學(xué)”莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院”舉行的第20屆”納米結(jié)構(gòu)中的光-物質(zhì)相關(guān)狀況物理”光導(dǎo)材料(PLMCN-2019) 國(guó)際會(huì)議期間完成的。