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發布時間：2019-03-15 來源：元祿光電
在德國哈弗爾河畔勃蘭登堡郊區的一家工廠，身著潔凈室工裝的技術工人正在將閃亮的薄方塊裝進平板模塊中，這將是未來市場上最好的太陽能電池板。
這家試點工廠屬于英國牛津大學校辦公司牛津光伏（Oxford PV）。自2012年起，該公司便致力于鈣鈦礦晶體太陽能電池的商業化。10年前，日本桐蔭橫濱大學的宮坂力（Tsutomu Miyasaka）研究小組宣布首批鈣鈦礦太陽能電池問世。但是這些早期的實驗室原型非常不穩定，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步，并解決了設備的穩定性和可擴展性問題。例如，2018年6月，牛津光伏公布了其里程碑式的最新效能，達到27.3%。相比之下，當前的硅光伏效能的最好紀錄是26.7%，而商用硅板的效能還要低得多。
目前，該公司正著手推出全球首個商用疊層硅-鈣鈦礦太陽能模組，將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅太陽能設備相結合。牛津光伏首席技術官克里斯?凱斯（Chris Case）表示，太陽能模塊的外觀和性能與傳統硅太陽能電池板非常相似。主要的不同在于，它們產生的電量更多。
鈣鈦礦太陽能產業7年前尚不存在，而今天其發展已十分引人注目。現在，有幾十家公司競相將此技術推向市場。全球數百名研究人員正在研究新型鈣鈦礦材料和處理方法，研究如何使設備工作。截至本文發稿之時，凱斯認為2018年關于鈣鈦礦的學術論文數量有望突破5000篇（包括有關鈣鈦礦光電探測器、X射線探測器和發光二極管的報告）。
短短10年間，鈣鈦礦已經從刁鉆、低效的實驗設備發展為達到或超越傳統太陽能電池性能的商業級產品。除有機發光二極管、染料敏化或量子點太陽能電池外，沒有其他太陽能光伏技術可以與之相媲美。
凱斯稱：“目前我們正處于歷史的轉折點。現在，在全球大多數地方，無補貼的太陽能光伏發電成本低于其他任何形式的發電。”他認為鈣鈦礦將確保太陽能的主宰地位。
“阻止不了。即便是全球最大的石油公司也無法阻止它。”
鈣鈦礦的誘人之處是，在將光子轉化為電能方面比硅更為優越。
科羅拉多州戈爾登國家可再生能源實驗室鈣鈦礦太陽能團隊負責人約瑟夫?貝瑞（Joseph Berry）說：“我的一個同事喜歡說，如果你要選擇一種理想的太陽能材料，你絕不會選硅。（硅）能成為一種重要材料，是因為所有研發資金都投資于硅（用于集成電路和太陽能）。”
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爭力的設備效能。”鈣鈦礦還可用于各種低成本的生產方法，包括旋涂和卷對卷印刷。美國國家可再生能源實驗室的研究人員甚至開發出一種可作畫的鈣鈦礦墨水。
貝瑞預測，如果建造一座10億瓦特規模的鈣鈦礦太陽能模塊電廠，最終成本大約是目前建造一座類似規模硅太陽能電池板工廠的1/10。最終產品柔韌且近乎透明，因此專家設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年首次被發現。此后，鈣鈦礦指代一大類具有與此類礦物相同晶體結構的化合物。其化學成分簡寫為AMX3，其中A通常代表有機分子，M代表金屬（如鉛或錫），X代表鹵素（如碘或氯）。桐蔭橫濱大學的宮坂研究團隊用化合甲基銨三碘化鉛制成了首個鈣鈦礦電池。但牛津光伏的凱斯認為，成千上萬種化合物都可以形成這種晶體結構。
無論化學性質如何，鈣鈦礦太陽能電池都必須滿足3個基本商業化標準：穩定性、效能和可擴展性。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個問題。這種電池可以使用目前的太陽能電池板制造方法生產。
早在2012年公司開始研究鈣鈦礦時，牛津光伏就瞄準了可以涂在玻璃上，用于窗戶和其他建筑構件的純鈣鈦礦產品。凱斯稱：“這是一個杰出的創意，但我們意識到步入商業化可能還需要5到10年。我們力求縮短交付時間。”
當陽光進入牛津光伏的疊層電池時，光子穿過透明電極層，抵達鈣鈦礦層，鈣鈦礦層吸收較短的波長（趨向于光譜的藍色端）。未被吸收的光子穿過一個稀薄結合層，遇到吸收較長波長的硅層。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，以及斯坦福大學的串聯光伏公司（Tandem PV）。與此同時，還有一些公司繼續押注純鈣鈦礦太陽能電池：波蘭的索樂科技（Saule Technologies）、中國的萬度光能和纖納光電，以及美國的初創公司能源材料公司（EMC）。
與牛津光伏一樣，能源材料公司最初也并非一家鈣鈦礦太陽能公司。能源材料公司聯合創始人兼首席執行官斯蒂芬?德盧卡（Stephan DeLuca）表示：“最初，我們在亞特蘭大開發光學天線，這是一種將光能轉化為電能的特別方式。”他說，大約3年前， “我們意識到商業化的道路還很漫長。”能源材料公司轉向太陽能鈣鈦礦。
這家初創公司主要研究鈣鈦礦電池的精密卷繞對位技術的商業化。德盧卡說：“若要讓其以低成本與硅競爭，就必須加快速度。我們的目標是使用1.5米寬、速度達50米每分鐘的滾卷。需要提高到這個速度。”
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小時，所以提速難度更大”。他補充道，采用精密卷繞對位方法建立一家鈣鈦礦太陽能電廠，要比用傳統硅技術的成本低得多。
幾年前，為了利用伊士曼柯達公司提供的代工生產設施，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教堂山分校的團隊開發的一種器件架構。黃勁松稱：“該領域多使用所謂的NIP結構。”NIP結構是指上層是負摻雜（或n型）材料，中層未摻雜“固有”材料，底層是正摻雜（或p型）材料的設備。NIP結構的一個缺點是，其需要約200℃的制造溫度，這增加了其成本，限制了制造方法。
能源材料公司的設備采用PIN結構，頂層是p型材料。“我們發現這種結構性能更好，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：“這絕對是你能想到的最快方法。現有很多聚合物薄膜一類的產品的供應商。你不必重新研制任何設備。”
盡管取得了巨大成果并開展了密集的活動，但一些太陽能研究人員仍對鈣鈦礦的潛力持懷疑態度。在最近一次接受光伏雜志采訪時，澳大利亞太陽能先驅馬丁?格林（Martin Green）指出：“必須解決現有的各種不穩定因素。”這些不穩定因素包括對濕度、氧甚至光的敏感性。
格林表示：“硅制造商很少采用比基準產品效率高但穩定性差的產品，因為制造商不希望在穩定性方面自毀聲譽；事實上，這可能是致命的。”
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定的報告對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定的。”造成這種誤解的部分原因可能在于仍為學術研究人員廣泛使用的甲基銨三碘化鉛是一種不穩定的化合物。“要獲得穩定的器件，需要正確選擇鈣鈦礦材料和構成堆疊器件的其他層。”
凱斯稱，牛津光伏的電池性能相當穩定，并通過了標準光伏模塊的各項主要加速壽命測試。該公司將于2019年交付首批模塊，目前正與一家名稱不詳的“主要硅太陽能電池和模塊制造商”合作。
2018年9月，公司與牛津大學啟動了為期5年的聯合研究項目，耗資500萬英鎊（640萬美元），力求使效能達到37%。如項目成功，太陽能模塊的電力轉換能力將是目前商品太陽能板的近兩倍。如牛津光伏未達成該目標，另有一家公司可能會達到。
在美國國家可再生能源實驗室的貝瑞看來，不必急于將未經全面審查的產品和技術推向市場。
貝瑞稱：“最初，我并非忠實的信徒。我認為，如果有致命的缺陷，我們就加以彌補，然后繼續前進。4年后的今天，我認為這項技術確實有機會改變世界。這種機會不是每天都有的，你肯定不想錯過。”元祿光電m.ggji.org.cn
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