在德國(guó)哈弗爾河畔勃蘭登堡郊區(qū)的一家工廠，身著潔凈工作服的技術(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(lái)市場(chǎng)上最好的太陽(yáng)能電池板。
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太陽(yáng)能電池的商業(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太陽(yáng)能電池問(wèn)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(lái)，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(wèn)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)前的硅太陽(yáng)能電池光伏效率的最好紀(jì)錄是26.7%，而商用硅電池組件的效率還要低得多。
目前，該公司正著手推出全球首個(gè)商用疊層硅-鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件，將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅太陽(yáng)能設(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，太陽(yáng)能組件的外觀和性能與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池組件非常相似。主要的不同在于，它們產(chǎn)生的光電效率更高，會(huì)產(chǎn)生更多電量。
鈣鈦礦太陽(yáng)能產(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。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)產(chǎn)品發(fā)展為達(dá)到或超越傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池性能的商業(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)太陽(yáng)能電池外，沒(méi)有其他太陽(yáng)能光伏技術(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(wú)補(bǔ)貼的太陽(yáng)能發(fā)電成本低于其他任何形式的發(fā)電。”他認(rèn)為鈣鈦礦將確保太陽(yáng)能的主宰地位。
“阻止不了。即便是全球最大的石油公司也無(wú)法阻止它。”
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)室鈣鈦礦太陽(yáng)能團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人約瑟夫•貝瑞(Joseph Berry)說(shuō)：“我的一個(gè)同事喜歡說(shuō)，如果你要選擇一種理想的太陽(yáng)能材料，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(用于集成電路和太陽(yáng)能)。”
貝瑞稱：“高純度無(wú)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(wú)須精心處理材料就可獲得極具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品效能。”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(kāi)發(fā)出一種可作畫(huà)的鈣鈦礦墨水。
貝瑞預(yù)測(cè)，如果建造一座10億瓦規(guī)模的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池廠，最終成本大約是目前建造一座類似規(guī)模硅太陽(yáng)能電池工廠的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(xiě)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(wàn)種化合物都可以形成這種晶體結(jié)構(gòu)。
無(wú)論化學(xué)性質(zhì)如何，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都必須滿足3個(gè)基本商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)：穩(wěn)定性、效能和可量產(chǎn)。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(wèn)題。這種電池可以使用目前的太陽(yáng)能電池片制造方法生產(chǎn)。
早在2012年公司開(kāi)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。”
當(dāng)陽(yáng)光進(jìn)入牛津光伏的疊層電池時(shí)，光子穿過(guò)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(guò)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。”
