發展迅速的鈣鈦礦電池，會成為太陽能產業的黑馬嗎？ | 科學人 | 果殼網 科技有意思

太陽能電池是半導體材料器件，它能夠把光能轉換為電能，這也就是光生伏特效應（photovoltaic effect）。利用這種效應，太陽能電池把太陽能轉換成電能。因此，電池的轉換效率越高，我們就能獲得更多的電。所以研究的主要目標就是不斷追求轉換效率更高的太陽能電池。

我們通常見到的太陽能電池板，是用晶體硅材料製成的。這種晶體硅太陽能電池從20世紀70年代開始研製至今，光電轉換效率最高能達到25%，這期間經歷了將近50年的時間。而目前最熱門的研究領域則是鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池（下文簡稱鈣鈦礦太陽能電池），從2009年到2014年的5年間，光電轉換效率便從3.8%躍升至19.3%，提高了5倍。鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率進步如此之大，而且比傳統的硅電池更便宜、更易生產，《科學》（Science）期刊把它評為2013年的10大科學突破之一。^[1]

美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）發布了截止2014年初，各類太陽能電池轉換效率的最高紀錄。目前轉換效率的最高記錄是由夏普生產的聚光型三結太陽能電池創造的，高達44.4%。本文介紹的鈣鈦礦太陽能電池在統計時為17.9%（見圖中圓圈），目前鈣鈦礦太陽能電池轉換效率已被加州大學洛杉磯分校的楊陽教授的團隊提高到了19.3%^[2]。點擊查看大圖。圖片來源：wikimedia.org鈣鈦礦是什麼？

在俄羅斯庫薩發現的鈣鈦礦礦石，藏於哈佛自然歷史博物館 Credit: La2O3 (CC BY-SA 3.0 license)^[3]。圖片來源：reneweconomy.com.au

鈣鈦礦（perovskite）是德國礦物學家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）在1839年，於俄羅斯中部境內的烏拉爾山脈上發現鈣鈦礦岩石樣本，決定以他心中偉大的地質學家Lev Perovski來命名這種礦石^[4]。該礦石是普通的金屬有機化合物晶體，主要成分是鈦酸鈣（CaTiO₃ ）。後來人們所指的鈣鈦礦電池，並不是用他發現的這種礦石材料製成的，而是使用了與鈣鈦礦晶體結構相似的化合物。

鈣鈦礦晶體結構示意圖^[5]。圖片來源：Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition

鈣鈦礦的結構是ABX₃的形式。這種結構在每個角共享一個BX₆正八面體，其中B是金屬陽離子（Sn²⁺或Pb²⁺），X是一價陰離子（Cl^-，Br^-或I^-）。鈣鈦礦中的陽離子A被用來抵消電荷使材料達到電中性，它可以是半徑較大鹼金屬離子等，甚至可以是一個分子。這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質，比如吸光性、電催化性等等，在化學、物理領域有不小的應用。鈣鈦礦大家族裡現已包括了數百種物質，從導體、半導體到絕緣體，範圍極為廣泛，其中很多是人工合成的。太陽能電池中用到的鈣鈦礦（CH₃NH₃PbI₃、CH₃NH₃PbBr₃和CH₃NH₃PbCl₃等）屬於半導體，有良好的吸光性。

2009年時，桐蔭橫浜大學的宮坂力（Tsutomu Miyasaka）率先通過將薄薄的一層鈣鈦礦（CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbBr_3）當做吸光層應用於染料敏化太陽能電池，製造出了鈣鈦礦太陽能電池。當時的光電轉換率為3.8%。後來研究者對電池進行了改進，轉換效率一下翻了一倍。雖然轉換效率提高了，但還要面對一個致命問題——鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易被電池的液體電解質破壞，導致電池穩定性低，壽命短。^[6]

2012年8月，由格拉茲爾（Gr?tzel）領導的韓國成均館大學與洛桑理工學院實驗室將一種固態的空穴傳輸材料（hole transport materials，HTM）引入太陽能電池，使電池效率一下提高到了10%，而且也解決了電池不穩定的問題，新型的鈣鈦礦太陽能電池比以前用液體電解液時更容易封裝了。這之後，鈣鈦礦太陽能電池成為了新的研究熱點。

格拉茲爾實驗室2013年在《自然》（Nature）期刊上發表的論文中，用掃描電子顯微鏡觀察到的鈣鈦礦電池橫截面圖像。從上往下依次是金（作為陽極）、HTM空穴傳輸層，TiO₂/CH₃NH₃PbI₃（鈣鈦礦）、FTO透明導電玻璃，以及位於最下層的玻璃^[7]。圖片來源：nature.com

在層出不窮的鈣鈦礦太陽能電池相關研究中，科學家還發現，鈣鈦礦不僅吸光性好，也是不錯的電荷運輸材料。他們不斷對鈣鈦礦材料和結構進行改善，以提高鈣鈦礦電池的光電轉換率。於是就在同年，牛津大學的亨利·司奈斯（HenrySnaith）將電池中的TiO₂用鋁材（Al₂O₃）進行了代替，這樣鈣鈦礦在電池片中就不僅是光的吸收層，也同樣可作為傳輸電荷的半導體材料。由此，鈣鈦礦電池的轉換效率一下攀升到15％^[8]。司奈斯表示，「鈣鈦礦電池的發展太快了，我覺得這個記錄很可能馬上被打破。」

果然，就在今年8月，加州大學洛杉磯分校的華裔科學家楊陽領導的研究團隊，在《科學》（Science）期刊上發表最新研究論文稱，他們通過改進鈣鈦礦結構層，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。這次研究中，鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率最高達到了19.3％^[9]，成為該領域之最。

雖然我們已經能夠量產轉換效率高達25％的晶硅太陽能電池，以及轉換效率17％的CIGS（銅銦鎵錫）太陽能電池，但我們應該意識到，這些太陽能電池在產生清潔能源時，其生產成本並不低，在原料生產中也會造成一定的環境污染。而其他已量產的有機薄膜太陽能電池和有機無機雜化太陽能電池的轉換效率則還停留在10％左右。

鈣鈦礦太陽能電池不僅轉換效率有明顯優勢，製作工藝也相對簡單。實驗室中常採用液相沉積、氣相沉積工藝，以及液相/氣相混合沉積工藝製作。因此，更便宜、更容易製造的鈣鈦礦太陽能電池，很有可能改變整個太陽能電池的格局。今後，它的發電成本甚至有可能會比火力發電還低。

不過，我們還不能急著向它「託付終身」，想要實現鈣鈦礦電池的巨大商業價值，目前還有3個難題急需解決：

1. 有毒。鈣鈦礦電池材料含有鉛，這是一種對人體和環境有極大危害的元素。美國西北大學已研發出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池，不過這種電池的轉換效率還只有6％。這種電池還處於研發初級階段，效率在未來還有提升空間；
2. 不穩定。鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發，而當晶體遇水時則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中，對環境產生威脅；
3. 壽命不長。目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到1000小時，由華中科技大學和洛桑聯邦理工學院合作研發。而傳統晶硅電池壽命一般可達到25年，比鈣鈦礦電池長得多。

儘管鈣鈦礦的未來依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會放棄任何產生新能源的機會。也許有一天，人類就要靠它來提供電力了。（編輯：球藻怪）

參考文獻：

1. http://news.sciencemag.org/2013/12/sciences-top-10-breakthroughs-2013 [M].
2. http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg [M].
3. http://reneweconomy.com.au/2014/perovskite-solar-cells-beat-new-records-lab-78818 [M].
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite [M].
5. Liu M., Johnston M. B., Snaith H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition [J]. Nature, 2013, 501(7467): 395-398.
6. Kojima A., Teshima K., Shirai Y., et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells [J]. Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(17): 6050-6051.
7. Burschka J., Pellet N., Moon S.-J., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells [J]. Nature, 2013, 499(7458): 316-319.
8. Liu M, Johnston M B, Snaith H J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition[J]. Nature, 2013, 501(7467): 395-398.
9. Zhou H., Chen Q., Li G., et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells [J]. Science, 2014, 345(6196): 542-546.

文章題圖：laserfocusworld.com
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