鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 “電”你沒(méi)商量

　　最熱門(mén)的太陽(yáng)能電池材料再次獲得進(jìn)展。在近日召開(kāi)的材料研究學(xué)會(huì )會(huì )議上，3個(gè)研究小組報告稱(chēng)，被稱(chēng)為鈣鈦礦的便宜、易制取的晶體材料打破了之前的效率紀錄。一個(gè)小組將太陽(yáng)能轉化為電能的效率提高至接近20%，高于2月所報告的16.2%以及5年前的3.8%。很少有太陽(yáng)能技術(shù)曾進(jìn)步如此之快。

　　“這是激動(dòng)人心的時(shí)刻。”英國牛津光伏公司物理學(xué)家EdwardCrossland表示。該公司致力于商業(yè)化推廣鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)。“新想法源源不斷地出現。”許多太陽(yáng)能專(zhuān)家表示，鈣鈦礦令人印象深刻的特性最終會(huì )使單個(gè)設備的效率高達25%，從而與現在的商業(yè)冠軍——昂貴的單晶硅持平。在傳統太陽(yáng)能電池上分層覆蓋鈣鈦礦電池形成“串聯(lián)”電池可以使其效率升至32%。據美國能源部估測，這將使太陽(yáng)能發(fā)電與煤或天然氣一樣便宜。

　　鈣鈦礦進(jìn)入人們視野已近兩個(gè)世紀。但是其可將太陽(yáng)能轉化為電能的能力直到2009年才被發(fā)現，當時(shí)日本桐蔭橫濱大學(xué)的TsutomuMiyasaka將鈣鈦礦作為吸光層加入到染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)設備中，效率達3.8%。研究人員很快意識到，鈣鈦礦不僅善于捕捉日光，還可以運送電荷。

　　于是科學(xué)家開(kāi)始對鈣鈦礦修修補補，使其效率不斷增長(cháng)。在材料研究學(xué)會(huì )會(huì )議上，美國加州大學(xué)洛杉磯分校材料學(xué)家YangYang報告稱(chēng)，他的團隊已經(jīng)制造出效率為19.3%的太陽(yáng)能電池。Yang并未提供關(guān)于其團隊制造電池的細節。不過(guò)他表示，其團隊專(zhuān)注于對鈣鈦礦晶體缺陷的技術(shù)改善，以及設備中不同材料層之間接口的改進(jìn)。韓國成均館大學(xué)化學(xué)家Nam-GyuPark表示，這些缺陷和界面問(wèn)題通常會(huì )影響電荷，阻止其到達電極。對晶體增加方式的改進(jìn)令Park的團隊所研制的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率達到了17.01%。

　　對鈣鈦礦和主流材料的配對也取得了進(jìn)展。斯坦福大學(xué)材料學(xué)家MichaelMcGehee報告稱(chēng)，他的團隊所制造的太陽(yáng)能電池將鈣鈦礦材料與銅、銦、鎵和硒(CIGS)合金串聯(lián)，效率為18.6%。CIGS電池本身的效率為17%，所以在這種情況下，鈣鈦礦并未使效率增加多少。McGehee表示，這很可能是因為鈣鈦礦的電極和其他不吸光層阻止了大部分陽(yáng)光到達CIGS電池中。他認為，該問(wèn)題相對容易解決：因為與CIGS和單晶硅相比，鈣鈦礦吸收更偏藍色波長(cháng)的光，因此在每組電極之間結合兩個(gè)吸光層可以使材料得以改善。“這是獲得20%以上效率的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。”McGehee說(shuō)道。

　　即使鈣鈦礦的效率不能達到一定的高度，其低成本還是能成為其優(yōu)勢。例如，牛津光伏公司正在努力制造基于窗戶(hù)的鈣鈦礦光伏(PVs)。使用DSSCs的窗戶(hù)PVs已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)很多年，鈣鈦礦則可以改善其效率。不過(guò)，Crossland指出，目前所制造的大多數鈣鈦礦電池的色調都是褐色，很難向那些設計摩天大廈的建筑師進(jìn)行推廣。在會(huì )議上，牛津大學(xué)的GilesEperon報告稱(chēng)，通過(guò)分塊而不是整體加工鈣鈦礦，他和同事制造出了中性顏色、半透明的鈣鈦礦電池，其效率可達8%。Crossland稱(chēng)，如果效率為6%的窗口PVs用于覆蓋一個(gè)和芝加哥威利斯大樓差不多大小的建筑，這些玻璃每年就會(huì )產(chǎn)生近5.3千瓦·時(shí)的能量。

　　不過(guò)這不能維持多久：現在，這些材料暴露于水分時(shí)會(huì )分解。盡管幾個(gè)團隊報告表示，在較低效率的前提下，他們現在可以使電池工作數百個(gè)小時(shí)。“這項技術(shù)的發(fā)展還處于非常初級的階段。”Yang說(shuō)道。