在德國(guó)哈弗爾河畔勃蘭登堡郊區(qū)的一家工廠，身著潔凈室工裝的技術(shù)工人正在將閃亮的薄方塊裝進(jìn)平板組件中，這將是未來市場(chǎng)上最好的光伏電池板。

這家試點(diǎn)工廠屬于英國(guó)牛津大學(xué)校辦公司牛津光伏（Oxford PV）。自2012年起，該公司便致力于鈣鈦礦晶體光伏電池的商業(yè)化。10年前，日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力（Tsutomu Miyasaka）研究小組宣布首批鈣鈦礦光伏電池問世。但是這些早期的實(shí)驗(yàn)室原型非常不穩(wěn)定，效能僅有3.8%。

后來，研究人員和制造商在效能方面取得了巨大進(jìn)步，并解決了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性問題。例如，2018年6月，牛津光伏公布了其里程碑式的最新效率，達(dá)到27.3%。相比之下，當(dāng)前的硅光伏效率的最好紀(jì)錄是26.7%，而商用硅板的效率還要低得多。

目前，該公司正著手推出全球首個(gè)商用疊層硅-鈣鈦礦光伏模組，將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅光伏設(shè)備相結(jié)合。牛津光伏首席技術(shù)官克里斯?凱斯（Chris Case）表示，光伏組件的外觀和性能與傳統(tǒng)硅光伏電池板非常相似。主要的不同在于，它們產(chǎn)生的電量更多。

鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)7年前尚不存在，而今天其發(fā)展已十分引人注目?，F(xiàn)在，有幾十家公司競(jìng)相將此技術(shù)推向市場(chǎng)。全球數(shù)百名研究人員正在研究新型鈣鈦礦材料和處理方法，研究如何使設(shè)備工作。截至本文發(fā)稿之時(shí)，凱斯認(rèn)為2018年關(guān)于鈣鈦礦的學(xué)術(shù)論文數(shù)量有望突破5000篇（包括有關(guān)鈣鈦礦光電探測(cè)器、X射線探測(cè)器和發(fā)光二極管的報(bào)告）。

短短10年間，鈣鈦礦已經(jīng)從刁鉆、低效的實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)展為達(dá)到或超越傳統(tǒng)光伏電池性能的商業(yè)級(jí)產(chǎn)品。除有機(jī)發(fā)光二極管、染料敏化或量子點(diǎn)光伏電池外，沒有其他光伏技術(shù)可以與之相媲美。

凱斯稱：“目前我們正處于歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?，F(xiàn)在，在全球大多數(shù)地方，無補(bǔ)貼的光伏發(fā)電成本低于其他任何形式的發(fā)電?！彼J(rèn)為鈣鈦礦將確保光伏的主宰地位。

鈣鈦礦的誘人之處是，在將光子轉(zhuǎn)化為電能方面比硅更為優(yōu)越。

科羅拉多州戈?duì)柕菄?guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室鈣鈦礦光伏團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人約瑟夫?貝瑞（Joseph Berry）說：“我的一個(gè)同事喜歡說，如果你要選擇一種理想的光伏材料，你絕不會(huì)選硅。（硅）能成為一種重要材料，是因?yàn)樗醒邪l(fā)資金都投資于硅（用于集成電路和光伏）?！?/p>

貝瑞稱：“高純度無瑕疵的硅才具備我們垂涎的特性。鈣鈦礦能夠容忍瑕疵的存在。我們無須精心處理材料就可獲得極具競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備效能。”鈣鈦礦還可用于各種低成本的生產(chǎn)方法，包括旋涂和卷對(duì)卷印刷。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員甚至開發(fā)出一種可作畫的鈣鈦礦墨水。

貝瑞預(yù)測(cè)，如果建造一座10億瓦特規(guī)模的鈣鈦礦光伏組件電廠，最終成本大約是目前建造一座類似規(guī)模硅光伏電池板工廠的1/10。最終產(chǎn)品柔韌且近乎透明，因此專家設(shè)想可使用它們作為窗玻璃和建筑物的噴涂涂層。

鈣鈦礦最初是指含鈣、鈦和氧的礦物，于1839年首次被發(fā)現(xiàn)。此后，鈣鈦礦指代一大類具有與此類礦物相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物。其化學(xué)成分簡(jiǎn)寫為AMX3，其中A通常代表有機(jī)分子，M代表金屬（如鉛或錫），X代表鹵素（如碘或氯）。桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂研究團(tuán)隊(duì)用化合甲基銨三碘化鉛制成了首個(gè)鈣鈦礦電池。但牛津光伏的凱斯認(rèn)為，成千上萬種化合物都可以形成這種晶體結(jié)構(gòu)。

無論化學(xué)性質(zhì)如何，鈣鈦礦光伏電池都必須滿足3個(gè)基本商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)：穩(wěn)定性、效能和可擴(kuò)展性。凱斯稱，他的公司將硅薄膜和鈣鈦礦組合成“疊層”電池，解決了上述3個(gè)問題。這種電池可以使用目前的光伏電池板制造方法生產(chǎn)。

早在2012年公司開始研究鈣鈦礦時(shí)，牛津光伏就瞄準(zhǔn)了可以涂在玻璃上，用于窗戶和其他建筑構(gòu)件的純鈣鈦礦產(chǎn)品。凱斯稱：“這是一個(gè)杰出的創(chuàng)意，但我們意識(shí)到步入商業(yè)化可能還需要5到10年。我們力求縮短交付時(shí)間?！?/p>

當(dāng)陽光進(jìn)入牛津光伏的疊層電池時(shí)，光子穿過透明電極層，抵達(dá)鈣鈦礦層，鈣鈦礦層吸收較短的波長(zhǎng)（趨向于光譜的藍(lán)色端）。未被吸收的光子穿過一個(gè)稀薄結(jié)合層，遇到吸收較長(zhǎng)波長(zhǎng)的硅層。最終，更多的可用光被電池吸收。

凱斯解釋道：“要制造出效能為26%甚至30%的疊層電池，只需要效能15%到17%的鈣鈦礦層，外加效能為20%的普通硅層。”

研究疊層鈣鈦礦的遠(yuǎn)不止牛津光伏一家公司。其他參與者包括日本的東芝和松下，以及斯坦福大學(xué)的串聯(lián)光伏公司（Tandem PV）。與此同時(shí)，還有一些公司繼續(xù)押注純鈣鈦礦光伏電池：波蘭的索樂科技（Saule Technologies）、中國(guó)的萬度光能和纖納光電，以及美國(guó)的初創(chuàng)公司能源材料公司（EMC）。

與牛津光伏一樣，能源材料公司最初也并非一家鈣鈦礦光伏公司。能源材料公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官斯蒂芬?德盧卡（Stephan DeLuca）表示：“最初，我們?cè)趤喬靥m大開發(fā)光學(xué)天線，這是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的特別方式?！彼f，大約3年前， “我們意識(shí)到商業(yè)化的道路還很漫長(zhǎng)?！蹦茉床牧瞎巨D(zhuǎn)向光伏鈣鈦礦。

這家初創(chuàng)公司主要研究鈣鈦礦電池的精密卷繞對(duì)位技術(shù)的商業(yè)化。德盧卡說：“若要讓其以低成本與硅競(jìng)爭(zhēng)，就必須加快速度。我們的目標(biāo)是使用1.5米寬、速度達(dá)50米每分鐘的滾卷。需要提高到這個(gè)速度。”

德盧卡稱，像牛津光伏和其他公司那樣使用真空鍍膜，意味著“需要把薄膜煮上半個(gè)小時(shí)，所以提速難度更大”。他補(bǔ)充道，采用精密卷繞對(duì)位方法建立一家鈣鈦礦光伏電廠，要比用傳統(tǒng)硅技術(shù)的成本低得多。

幾年前，為了利用伊士曼柯達(dá)公司提供的代工生產(chǎn)設(shè)施，能源材料公司搬到了紐約州羅切斯特市。目前能源材料公司的電池有5層，由精密卷繞機(jī)一步完成。

能源材料公司的鈣鈦礦電池基于黃勁松及其北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種器件架構(gòu)。黃勁松稱：“該領(lǐng)域多使用所謂的NIP結(jié)構(gòu)。”NIP結(jié)構(gòu)是指上層是負(fù)摻雜（或n型）材料，中層未摻雜“固有”材料，底層是正摻雜（或p型）材料的設(shè)備。NIP結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是，其需要約200℃的制造溫度，這增加了其成本，限制了制造方法。

能源材料公司的設(shè)備采用PIN結(jié)構(gòu)，頂層是p型材料。“我們發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)性能更好，可采用室溫工藝制造。”室溫工藝包括精密卷繞印刷。黃勁松說：“這絕對(duì)是你能想到的最快方法?，F(xiàn)有很多聚合物薄膜一類的產(chǎn)品的供應(yīng)商。你不必重新研制任何設(shè)備?！?/p>

盡管取得了巨大成果并開展了密集的活動(dòng)，但一些光伏研究人員仍對(duì)鈣鈦礦的潛力持懷疑態(tài)度。在最近一次接受光伏雜志采訪時(shí)，澳大利亞光伏先驅(qū)馬丁?格林（Martin Green）指出：“必須解決現(xiàn)有的各種不穩(wěn)定因素?！边@些不穩(wěn)定因素包括對(duì)濕度、氧甚至光的敏感性。

格林表示：“硅制造商很少采用比基準(zhǔn)產(chǎn)品效率高但穩(wěn)定性差的產(chǎn)品，因?yàn)橹圃焐滩幌Ｍ诜€(wěn)定性方面自毀聲譽(yù)；事實(shí)上，這可能是致命的?！?/p>

能源材料公司的德盧卡稱，并非所有鈣鈦礦都存在這一缺陷。他說：“某些說鈣鈦礦配方和器件堆疊不穩(wěn)定的報(bào)告對(duì)于材料研究非常重要，但也讓人們誤以為所有鈣鈦礦類材料都是不穩(wěn)定的。”造成這種誤解的部分原因可能在于仍為學(xué)術(shù)研究人員廣泛使用的甲基銨三碘化鉛是一種不穩(wěn)定的化合物?！耙@得穩(wěn)定的器件，需要正確選擇鈣鈦礦材料和構(gòu)成堆疊器件的其他層?！?/p>

凱斯稱，牛津光伏的電池性能相當(dāng)穩(wěn)定，并通過了標(biāo)準(zhǔn)光伏組件的各項(xiàng)主要加速壽命測(cè)試。該公司將于2019年交付首批組件，目前正與一家名稱不詳?shù)摹爸饕韫夥姵睾徒M件制造商”合作。

2018年9月，公司與牛津大學(xué)啟動(dòng)了為期5年的聯(lián)合研究項(xiàng)目，耗資500萬英鎊（640萬美元），力求使效能達(dá)到37%。如項(xiàng)目成功，光伏組件的電力轉(zhuǎn)換能力將是目前商品光伏板的近兩倍。如牛津光伏未達(dá)成該目標(biāo)，另有一家公司可能會(huì)達(dá)到。

在美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的貝瑞看來，不必急于將未經(jīng)全面審查的產(chǎn)品和技術(shù)推向市場(chǎng)。

貝瑞稱：“最初，我并非忠實(shí)的信徒。我認(rèn)為，如果有致命的缺陷，我們就加以彌補(bǔ)，然后繼續(xù)前進(jìn)。4年后的今天，我認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)有機(jī)會(huì)改變世界。這種機(jī)會(huì)不是每天都有的，你肯定不想錯(cuò)過。”

來源：悅智網(wǎng)