小電池指引光伏產(chǎn)業(yè)新方向

　　新光伏材料在實(shí)驗室里創(chuàng )造了奇跡，但是能夠商業(yè)化嗎?

　　在不同類(lèi)型的太陽(yáng)能電池里，有一種產(chǎn)品脫穎而出。數十年里，幾乎所有的太陽(yáng)能技術(shù)，例如晶體硅晶片和碲化鎘薄膜都有一個(gè)緩慢穩定的發(fā)展過(guò)程，同時(shí)也有技術(shù)能將太陽(yáng)光線(xiàn)的14%能量轉換為電力。但如今一個(gè)新競爭者脫穎而出：由名為鈣鈦礦的復雜晶體制成的太陽(yáng)能電池。

　　2009年，這種電池悄然到來(lái)，當時(shí)其有效轉換率為3.8%——這是一個(gè)乏味的結果，因為當時(shí)的頂級硅光電池在實(shí)驗室中的轉換率能達到25%。但是，到2011年年底，新電池的有效率翻了一番達到6.5%，去年攀升到10%，2013年，有效率為15%。“這讓人驚訝。”以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院材料學(xué)家davidcahen說(shuō)，“在太陽(yáng)能電池里，我們從未看到這樣的結果。”

　　這種電池的發(fā)展趨勢越來(lái)越好。鈣鈦礦是由現成材料制成的，不像某些種類(lèi)的太陽(yáng)能電池，它們廉價(jià)而容易產(chǎn)生。專(zhuān)家認為，這種電池還有許多改進(jìn)空間，明年效率能達到20%。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還有潛力與硅電池板相結合，制造出效率達30%甚至更高的串聯(lián)電池。

　　“它在發(fā)展。”美國斯坦福大學(xué)材料學(xué)家michaelmcgehee說(shuō)。“它非常具有競爭性。”瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)家michaelgratzel說(shuō)。“戰役在繼續。它的發(fā)展非常迅速，我沒(méi)有時(shí)間睡覺(jué)了。”美國加州大學(xué)洛杉磯分校太陽(yáng)能電池專(zhuān)家yangyang說(shuō)。

　　正確方向

　　鈣鈦礦在1個(gè)多世紀前就擺在了太陽(yáng)能電池制造者面前。1839年，一位俄羅斯礦物學(xué)家首次發(fā)現了這種礦物質(zhì)的自然狀態(tài)。目前，已知有數百種此類(lèi)礦物質(zhì)，太陽(yáng)能電池鈣鈦礦屬于半導體，其他家族成員從導體到絕緣體范圍極為廣泛，最著(zhù)名的是高溫氧化銅超導體。

　　上世紀90年代，ibm華生研究中心物理學(xué)家davidmitzi使用鈣鈦礦半導體制成了薄膜晶體管和發(fā)光二極管。這些裝置能夠工作。盡管許多發(fā)光材料也能制成良好的吸光器，但mitzi發(fā)現鈣鈦礦太不穩定而無(wú)法制作太陽(yáng)能電池——材料必須能夠持續數十年才有商業(yè)價(jià)值。

　　幾乎在10年之后，tsutomumiyasaka朝著(zhù)解決問(wèn)題的方向邁出了第一步。日本桐蔭橫濱大學(xué)化學(xué)家miyasaka及同事致力于研究染色敏化太陽(yáng)能電池(dsscs)。與傳統的硅太陽(yáng)能電池不同，dsscs包含有機吸光染料混合物，這些混合物為二氧化鈦(tio2)等微小顆粒添加涂層，這些顆粒被電解液包圍。

　　在標準dsscs里，當染色分子吸引光子時(shí)，光能夠提高染色劑中電子的能量，使其跳到二氧化鈦微粒上。在那里，它會(huì )從微粒跳到微粒，直至到達電極，然后被收集起來(lái)，送入電路中。同時(shí)，其他電子從電解質(zhì)跳到染色劑，并使其恢復到初始狀態(tài)。

　　gratzel表示，這里就有個(gè)麻煩。1991年gratzel研究小組發(fā)明了dsscs，但其染色劑不能吸收所有的光，因此降低了電池的能效。為了做得更好，miyasaka將注意力轉向鈣鈦礦。他的研究小組花費了兩年時(shí)間，尋找能使這種物質(zhì)變穩定的秘方。他們使用了一層薄薄的吸光鈣鈦礦層，能效達3.8%。但不幸的是，這種電池也包含液體電解質(zhì)，會(huì )在幾分鐘內溶解鈣鈦礦，以致電池失效。

　　之后，gratzel與韓國成均館大學(xué)的nam-gyupark合作邁出了下一步。2012年，他們宣布使用固體取代了原來(lái)的液體，能效接近10%?，F在，事情開(kāi)始變得有趣。

　　越來(lái)越好

　　當其他技術(shù)還在為突破12%競爭時(shí)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為何能遙遙領(lǐng)先?cahen表示，正確答案的一部分是，鈣鈦礦有近乎完美的結晶度。這是砷化鎵和晶體硅等頂級太陽(yáng)能電池材料共有的特征。

　　在第二類(lèi)電池材料中，這種晶體排列充斥著(zhù)許多瑕疵。當電荷快速通過(guò)晶體陷入瑕疵時(shí)，它們通常會(huì )放棄額外的能量。制造無(wú)瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價(jià)值數百萬(wàn)美元的設備。但是鈣鈦礦能在80攝氏度下被制成，并能從溶液中簡(jiǎn)單沉淀析出近乎完美的形式。“有一點(diǎn)美夢(mèng)成真的感覺(jué)。”cahen說(shuō)。

　　今年10月，英國牛津大學(xué)henrysnaith研究小組和gratzel小組等宣布，他們獲得了更完美的結果：鈣鈦礦能允許電荷在材料里穿行很長(cháng)的距離。這種被稱(chēng)為載流子擴散長(cháng)度的性能對所有太陽(yáng)能電池都非常重要。它用于衡量一個(gè)電子在遇到帶正電荷的電子空位或坑洞并掉入之前能走多遠。在這個(gè)過(guò)程中，電子會(huì )放棄從陽(yáng)光的光子獲得的多余能量，產(chǎn)生熱能而非電力。

　　有機太陽(yáng)能電池的擴散長(cháng)度大約為10納米。相比之下，鈣鈦礦的擴散長(cháng)度是前者的100倍。“結果是，你能收集通行了更長(cháng)距離的電荷。”gratzel說(shuō)。

　　鈣鈦礦還有另一個(gè)價(jià)值很高的特性：產(chǎn)生電壓的效率。例如，在晶體硅太陽(yáng)能電池中，需要從光子獲得至少1.1電子伏(ev)的能量，從而將一個(gè)電子反沖出硅原子的束縛，成為自由電子。然后，電子到達電極，再進(jìn)入電路，它們的電壓會(huì )降至0.7ev，僅喪失了0.4ev——這也是硅在商業(yè)上取得成功的部分原因。

　　對于傳統的dsscs和有機太陽(yáng)能電池而言，這些損耗約為0.7ev～0.8ev。但是，鈣鈦礦的損耗僅有0.4ev，與商業(yè)利益相匹配。“鈣鈦礦的這些優(yōu)點(diǎn)非常好。”yang說(shuō)，“這就是我們想要的。”yang小組在過(guò)去10年里花費大量時(shí)間研究有機太陽(yáng)能電池，將其效能提高到接近11%。但是，之后他們開(kāi)始研究鈣鈦礦，“我們在5個(gè)月里使其能效達到13%。”yang說(shuō)。

　　另外，鈣鈦礦在吸收藍色和綠色光子方面比硅更好。鈣鈦礦的生成溫度比玻璃的熔點(diǎn)低，工程師能夠將它們直接鋪在硅電池玻璃涂層的頂端。mcgehee表示，這一策略可能制造廉價(jià)串聯(lián)電池，但是沒(méi)有人這樣做過(guò)。

　　遭遇障礙

　　太陽(yáng)能電池企業(yè)需要新的活力。近年來(lái)，太陽(yáng)能電池價(jià)格下降，經(jīng)過(guò)殘酷的商業(yè)淘沙，大量相關(guān)企業(yè)紛紛破產(chǎn)。gratzel指出，風(fēng)險投資公司以及科學(xué)基金機構，對支持有機太陽(yáng)能光伏電板和dsscs等進(jìn)展緩慢研究的熱情逐漸冷卻。他補充道：“相關(guān)企業(yè)的情緒非常低落”。因此鈣鈦礦來(lái)得正是時(shí)候，“我們需要激勵”。

　　即便如此，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為進(jìn)入市場(chǎng)作好準備前還有很長(cháng)的路要走。首先，cahen說(shuō)，目前實(shí)驗室里制造的大部分電池是微小的，僅幾厘米大。相比之下，硅電池板直徑能達數米。“很難生產(chǎn)較大的鈣鈦礦連續膜。”cahen說(shuō)。而且沒(méi)有研究人員能解決耐久性問(wèn)題。鈣鈦礦電池對氧氣非常敏感，會(huì )與其發(fā)生化學(xué)反應進(jìn)而破壞晶體結構，并產(chǎn)生水蒸氣，溶解鹽狀的鈣鈦礦。

　　更糟的是，目前最好的鈣鈦礦中的鉛可能會(huì )濾出，污染屋頂和土壤。

　　“這里也存在許多困難。”cahen說(shuō)，“此時(shí)，我是一個(gè)樂(lè )觀(guān)主義者，并且是材料研究的信徒。”有關(guān)鈣鈦礦的諸多挑戰需要解決，“該領(lǐng)域在未來(lái)幾年中將非?；钴S”。gratzel說(shuō)。全球太陽(yáng)能電池市場(chǎng)價(jià)值每年將達到近500億美元，研究人員有動(dòng)力推進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。