中國儲能網(wǎng)訊：美國國家可再生能源實驗室（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44.4%。而本文要介紹的鈣鈦礦太陽能電池在統(tǒng)計時是17.9%，但實際上目前鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率已被提高到了19.3%。
從2009年到2014年的短短5年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%一下子躍升至19.3%，提高了5倍。其效率進步之快，成本之便宜，生產(chǎn)之容易，以至于被《科學》期刊評為2013年的10大科學突破之一。
那么鈣鈦礦電池到底是什么？為何能產(chǎn)生如此大的研究影響力呢？它真的是太陽能電池產(chǎn)業(yè)中的黑馬嗎？
1、鈣鈦礦是什么？
（在俄羅斯庫薩發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦礦石，藏于哈佛自然歷史博物館Credit:La2O3（CCBY-SA3.0license））
鈣鈦礦，英文名perovskite，是一種普通的金屬有機化合物晶體，主要成分是鈦酸鈣（CaTiO3）。1839年德國礦物雪茄古斯塔夫？羅斯（GustavRose）在俄羅斯中部境內(nèi)的烏拉爾山脈上發(fā)現(xiàn)了一塊特殊的巖石樣本，于是決定以他心中所崇拜的偉大地質(zhì)學家LevPerovsk來明明這個礦石。
不過后來我們普遍指的鈣鈦礦電池（全稱：鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池）并不是用這個礦石材料制成的，而是使用了與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)相似的化合物。
2、鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)：
（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)在每個角共享一個BX6正八面體，其中B是金屬陽離子（Sn2+或Pb2+），X是一價陰離子（Cl-，Br-或I-）。鈣鈦礦中的陽離子A被用來抵消電荷使材料達到電中性，它可以是半徑較大鹼金屬離子等，甚至可以是一個分子。
這種奇特的晶體結(jié)構(gòu)讓它具備了很多獨特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學、物理領(lǐng)域有不小的應用。鈣鈦礦大家族里現(xiàn)已包括了數(shù)百種物質(zhì)，從導體、半導體到絕緣體，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）屬于半導體，有良好的吸光性。
3、鈣鈦礦的發(fā)展簡程：5年——從3.8%到19.3%
2009年——桐蔭橫浜大學的宮坂力（TsutomuMiyasaka）通過將薄薄的一層鈣鈦礦（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）當做吸光層應用于染料敏化太陽能電池，制造出了鈣鈦礦太陽能電池。當時的光電轉(zhuǎn)換率為3.8%。后來研究者對電池進行了改進，轉(zhuǎn)換效率一下翻了一倍。雖然轉(zhuǎn)換效率提高了，但還要面對一個致命問題，即鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易在電池的液體電解質(zhì)發(fā)生水解，導致電池穩(wěn)定性低，壽命短。
2012年8月——由格拉茲爾（Gr？tzel）領(lǐng)導的韓國成均館大學與洛桑理工學院實驗室將一種固態(tài)的空穴傳輸材料（holetransportmaterials，HTM）引入太陽能電池，電池效率一下提高到了10%，也解決了電池不穩(wěn)定的問題，也比以前更容易封裝。
2013年——牛津大學的亨利˙司奈斯（HenrySnaith）將電池中的TiO2用鋁材（Al2O3）代替，鈣鈦礦不僅成為了光的吸收層，也同時是傳輸電荷的半導體材料。鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率一下攀升到15％。
2014年8月——加州大學洛杉磯分校的華裔科學家楊陽領(lǐng)導的研究團隊，在《科學》期刊上發(fā)表最新研究論文稱，他們通過改進鈣鈦礦結(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，其轉(zhuǎn)換效率最高達到了19.3％，成為該領(lǐng)域之最。
4、鈣鈦礦電池的優(yōu)勢：
轉(zhuǎn)換效率進步快——5年時間從3.8%升到19.3%，而2013年11月美國科學家在最新研究中發(fā)現(xiàn)，新式鈣鈦礦（CaTiO3）太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，這說明了它還有很大的潛力值得挖掘；
制作工藝簡單——實驗室中常采用液相沉積、氣相沉積工藝、液相/氣相混合沉積工藝；
發(fā)電成本低——甚至有可能會比火力發(fā)電還低。
建筑一體化潛力——鈣鈦礦型電池屬于薄膜電池，目前主要就是沉積在玻璃上，還可以通過控制各層材料的厚度和材質(zhì)來實現(xiàn)不同程度的透明度，當然效率也會降低，不過這類應用是值得嘗試的。例如牛津大學的實驗室已經(jīng)可以做出半透光（灰褐色）的電池。如果將采光與發(fā)電融為一體的太陽能電池開發(fā)順利，有望成為高樓大廈幕墻裝飾、車輛有色玻璃貼膜等的替代品。
5、鈣鈦礦電池的難題：
有毒——鈣鈦礦電池材料含有鉛，不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比，簡直就是小巫見大巫。而美國西北大學也已研發(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％，目前處于研發(fā)初級階段，效率還有提升空間；
不穩(wěn)定——鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發(fā)，而當晶體遇水時則易分解。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；
壽命不長——目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到1000小時，由華中科技大學和洛桑聯(lián)邦理工學院合作研發(fā)。而傳統(tǒng)晶硅電池壽命一般可達到25年，比鈣鈦礦電池長得多。
