光伏技术大洗牌？钙钛矿太阳能电池可能对晶硅电池构成挑战

        在Oxford Photovoltaics首席技术官克里斯•凯斯(Chris Case)的办公桌上，有一个样品瓶里装满淡黄色液体。瓶子的体积非常小，但质量却很重。他说道，“这些足够制造一千瓦的光伏电池了。”

        小瓶中的液体被称为甲基氨基碘化铅（可作为太阳能电池的涂层），这一技术的拥护者——比如Case就认为，类似这样的新型太阳能电池材料，还有比如钙钛矿这种，可能会革新整个光伏产业，令全球光伏发电量急剧增加。

        Oxford Photovoltaics公司是致力于研究钙钛矿的众多大大小小企业的一员。钙钛矿是一种具有晶体结构的化合物，最早被发现存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO

)化合物，因此得名。通常情况下，它们是半导体。这也意味着，像所有诸如晶硅的半导体一样，其可应用于太阳能电池中。

        第一代钙钛矿型太阳能电池诞生于2009年，刚开始，其光电转换率仅为3.8%。现在，该技术的光伏电池最高的转换率可达20%左右。这种转换率和商用晶硅电池的性能相似。研究人员相信，在未来几年，这一转化率可增高至25%。

        此外，与硅相比，钙钛矿制备成太阳能电池更便宜。为了制备硅电池，你必须将固体硅锭切割成200微米厚的硅片。而钙钛矿电池可以通过混合一些化学溶液，浇注到一个合适的里衬成型，或者是气化的前体分子，让其冷凝在背衬上制得。如果这些过程能够商业化，那么其将成为硅太阳能电池强有力的竞争对手。

光的作用

        包括钙钛矿在内的太阳能电池，所有光电转化方式大致相似。当光照在制得的材料晶体上，其释放带负电荷的电子，然后在晶格上留下带有正电荷的空穴。形成电子-空穴对是半导体在光照下产生的特性。由此，临近的材料捕获正负电荷，并且将其输送至电池外表面的电极层，形成电流。

        尽管这是普遍的情况，不过，还是能够被改变的。比如，去年，瑞士联邦理工学院（洛桑）的Michael Grätzel就设计出一种将钙钛矿注入到捕获电子的材料中，而不仅是一个单独的表层。Michael Grätzel认为，这种设计将会使电池的制造成本更低，性能也更稳定。Dyesol公司是和Dr Grätzel合作的一家澳大利亚公司，工厂建立在土耳其，计划于2017年开工建设，生产的正是基于Grätzel注入原理的太阳能电池。

        不过，大部分研究者的光电主体是变化的，目前是串联电池，这是一种表层是钙钛矿和硅的电池。这样将会使更多的光能转换为电能。钙钛矿可以制成不同的配比，这也意味着他们可以被调整为吸收不同波段的光谱。串联电池的顶层是的钙钛矿，其被调整成强烈吸收光谱带低端的蓝紫光；下面是硅层，用来吸收光谱带中的红光。

        第一个串联电池是由来自斯坦福大学和麻省理工学院的研究人员于三月份公布的，它的光电转换率是13.7%。这周，Oxford Photovoltaics公司展示的一种产品的光电转换率是20%。他们希望在2017年看到这种产品上线。不过，这种新旧结合的便捷方式用于光伏上可能并不会长久。Oxford Photovoltaics的创始人Henry Snaith期待有不同的组成、能够吸收太阳光特定波段光谱的全钙钛矿串联电池。

        对钙钛矿太阳能电池而言，水是最大的障碍：因为它会在水中分解。所以，钙钛矿太阳能电池板必须保证完全不漏水，但现在的技术主要是对太阳能电池进行有效的密封。电池标准的测试，包括防水性，是由国际电工委员会制定的。这些测试之一〕是要求电池性能在85℃、湿度为85%的条件下维持1000小时以上。其他的测试还包括，经受住剧烈的温度波动以及人工冰雹等。Snaith称，Oxford Photovoltaics生产的电池已经通过1000小时的测试，并且能够承受住2000小时。

        另一个围绕钙钛矿太阳能电池的问题是潜在生命力有限，不过找到合适的应用领域并不是什么问题。在一些领域，钙钛矿能有很好的应用。比如，一些公司想要进军移动设备市场，因为这些设备短时间就被替换掉了，不需要很长寿命的电池。波兰的Saule Technologies和芬兰VTT公司正在致力于研究在手机上使用的柔性钙钛矿充电电池。Saule的创始人Olga Malinkiewicz称，其公司已经制备出效率为3%的柔性电池的样机，她还认为在未来两年，工程师将会把效率提高至10%。当Säule的电池被商业化，她计划将钙钛矿前提喷洒在胶粘剂里衬上，并应用于喷墨打印机上。这将会使电池粘附在任何需要电的设备上成为可能。

        而Oxford Photovoltaics和Dyesol公司都正在研究大规模、更持久的产品，他们希望在建筑物上覆盖一层半透明的钙钛矿电池太阳能板，这样即使电力不够独立，一些高楼也能在电网中掌握一定的主动权。不过，最终的梦想是通过具有更高效率的钙钛矿电池向电网输电。目前，太阳能发电仅占到全球电力消耗的1%多点。晶硅电池在与化石燃料竞争的边缘摇摇欲坠，但这种新的方式将会使太阳能发电成本大幅下降，而钙钛矿可能就是这种创新的根本所在。

（澎湃新闻记者 王灿 编译）