美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL）發(fā)布了截止2014年初各類(lèi)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)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(yáng)能電池創(chuàng)造的，高達(dá)44.4%。而本文要介紹的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在統(tǒng)計(jì)時(shí)是17.9%，但實(shí)際上目前鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)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(jìn)步之快，成本之便宜，生產(chǎn)之容易，以至于被《科學(xué)》期刊評(píng)為2013年的10大科學(xué)突破之一。

那么鈣鈦礦太陽(yáng)能電池到底是什么？為何能產(chǎn)生如此大的研究影響力呢？它真的是太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)中的黑馬嗎？

1、鈣鈦礦是什么？

(在俄羅斯庫(kù)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))

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鈣鈦礦，英文名perovskite，是一種普通的金屬有機(jī)化合物晶體，主要成分是鈦酸鈣（CaTiO3）。1839年德國(guó)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(xué)家LevPerovsk來(lái)明明這個(gè)礦石。

不過(guò)后來(lái)我們普遍指的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（全稱(chēng)：鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽(yáng)能電池）并不是用這個(gè)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)：

鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)是ABX3的形式。這種結(jié)構(gòu)在每個(gè)角共享一個(gè)BX6正八面體，其中B是金屬陽(yáng)離子（Sn2+或Pb2+），X是一價(jià)陰離子（Cl-，Br-或I-）。鈣鈦礦中的陽(yáng)離子A被用來(lái)抵消電荷使材料達(dá)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(gè)分子。

這種奇特的晶體結(jié)構(gòu)讓它具備了很多獨(dú)特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學(xué)、物理領(lǐng)域有不小的應(yīng)用。鈣鈦礦大家族里現(xiàn)已包括了數(shù)百種物質(zhì)，從導(dǎo)體、半導(dǎo)體到絕緣體，范圍極為廣泛，其中很多是人工合成的。太陽(yáng)能電池中用到的鈣鈦礦（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）屬于半導(dǎo)體，有良好的吸光性。

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3、鈣鈦礦的發(fā)展簡(jiǎn)程：5年——從3.8%到19.3%

2009年——桐蔭橫浜大學(xué)的宮坂力（TsutomuMiyasaka）通過(guò)將薄薄的一層鈣鈦礦（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）當(dāng)做吸光層應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，制造出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換率為3.8%。后來(lái)研究者對(duì)電池進(jìn)行了改進(jìn)，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(duì)一個(gè)致命問(wèn)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(dǎo)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(dǎo)的韓國(guó)成均館大學(xué)與洛桑理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室將一種固態(tài)的空穴傳輸材料（holetransportmaterials，HTM）引入太陽(yáng)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(wèn)題，也比以前更容易封裝。

2013年——牛津大學(xué)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(shí)是傳輸電荷的半導(dǎo)體材料。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率一下攀升到15％。

2014年8月——加州大學(xué)洛杉磯分校的華裔科學(xué)家楊陽(yáng)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)》期刊上發(fā)表最新研究論文稱(chēng)，他們通過(guò)改進(jìn)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(dá)到了19.3％，成為該領(lǐng)域之最。

4、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)：

轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步快——5年時(shí)間從3.8%升到19.3%，而2013年11月美國(guó)科學(xué)家在最新研究中發(fā)現(xiàn)，新式鈣鈦礦（CaTiO3）太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)50%，為目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，這說(shuō)明了它還有很大的潛力值得挖掘；

制作工藝簡(jiǎn)單——實(shí)驗(yàn)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(huì)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(guò)控制各層材料的厚度和材質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同程度的透明度，當(dāng)然效率也會(huì)降低，不過(guò)這類(lèi)應(yīng)用是值得嘗試的。例如牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(yáng)能電池開(kāi)發(fā)順利，有望成為高樓大廈幕墻裝飾、車(chē)輛有色玻璃貼膜等的替代品。

5、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的難題：

有毒——鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料含有鉛，不過(guò)鉛跟其他類(lèi)型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比，簡(jiǎn)直就是小巫見(jiàn)大巫。而美國(guó)西北大學(xué)也已研發(fā)出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，不過(guò)這種電池的轉(zhuǎn)換效率還只有6％，目前處于研發(fā)初級(jí)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(dāng)晶體遇水時(shí)則易分解。如果我們使用鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中；

壽命不長(zhǎng)——目前，壽命最長(zhǎng)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可達(dá)到1000小時(shí)，由華中科技大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作研發(fā)。而傳統(tǒng)晶硅電池壽命一般可達(dá)到25年，比鈣鈦礦電池長(zhǎng)得多。