未來的新能源材料之星——鈣鈦礦

隨著全球氣候變暖的加劇，極端天氣對人類和野生動物的生存活動造成了嚴重威脅，導致氣候變暖的溫室氣體CO2、SO2主要來自化石燃料的燃燒，隨之帶來的霧霾天氣也讓我們無處遁逃。因此，亟待開發(fā)可以替代化石燃料的清潔能源，如風能、地熱能、太陽能、潮汐能等。

其中，太陽能是眾多清潔能源中最為理想的可再生能源，它取之不盡、用之不竭，是宇宙對我們最好的饋贈。如果把太陽光照射地球一小時的能量“全部”收集起來，夠全人類使用一年。倘若將地球荒漠面積的1%裝上光伏電站，就可以滿足人類目前用電量的需求。

在我國，已經(jīng)開始大力推廣光伏產(chǎn)業(yè)。大面積的農(nóng)田村莊都已經(jīng)安裝了太陽能電池板，舉辦冬奧會的張家口，也已經(jīng)荒山變“銀”山，助力綠色冬奧。據(jù)國家發(fā)改委預測，到2050年光伏會成為中國第一大能源。因此，合理開發(fā)利用太陽能，對國家發(fā)展和人類生存具有重要的意義。

01 能量轉換的開關

鈣鈦礦在太陽能電池中發(fā)揮什么作用呢？我們先來了解一下太陽能電池是如何工作的。典型的太陽能電池結構主要由五部分疊合而成，包括一個吸光層、兩個傳輸層，兩個電極，其中吸光層至關重要，它是光能與電能的紐帶，是能量轉換的開關。鈣鈦礦就是在這一層中大顯身手的。

當太陽能電池工作時，吸光層受到光照，它內(nèi)部的電子獲得能量，這些電子就如同吃飽飯的孩子精力充沛變得非常淘氣，要來一場說走就走的旅行，它們掙脫吸光層的束縛，再通過傳輸層的助力向外部傳遞。與此同時，當帶負電的電子離開后，留下了帶正電的空穴，朝著電子的反方向傳遞，就這樣電子和空穴流動起來，構成外部電流，實現(xiàn)了光能向電能的轉換。

鈣鈦礦太陽能電池的結構

02 太陽能電池的前世今生

吸光層材料的發(fā)展與迭代引領著太陽能電池技術的不斷革新和突破。第一代太陽能電池是硅的時代，它的發(fā)明為人們開啟了利用光能發(fā)電的大門，是目前使用最廣泛的太陽能電池，但硅并不是理想的吸光層材料，它是一種間接帶隙半導體，不能以最小的光能激發(fā)吸光層材料產(chǎn)生電流，這極大限制了它的光電轉換效率。第二代薄膜太陽能電池采用了更為理想的直接帶隙半導體作為吸光材料替代硅，如砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵錫等，但這兩代太陽能電池由于對材料的純度要求較高，其制備成本高昂。

直到鈣鈦礦太陽能電池的出現(xiàn)，才打破了前兩者的局限，兼具高效率和低成本制備的優(yōu)勢，成為最具潛力的新一代太陽能電池，至此，鈣鈦礦時代到來了！它非常年輕又極具活力，自2009年發(fā)明至今，僅用了十余年的時間，效率就從3%提升至25.5%，可與發(fā)明了近70年的硅太陽能電池相匹敵，所以說它是“乘著火箭”發(fā)展起來的也不為過。

03 神奇的鈣鈦礦材料

這種神奇材料到底是什么？又長什么樣呢？1839年，德國科學家在考察烏拉爾山脈時發(fā)現(xiàn)了一種元素組成為CaTiO3的礦石，并將其命名為“perovskite”以紀念同名的俄國地質學家。發(fā)現(xiàn)該礦石的地質學家一定不會想到，二百余年后的今天，這種深埋地下的棕色礦石衍生出的材料竟然會聚焦在陽光下，成為新能源材料領域炙手可熱的新星。這就是鈣鈦礦材料的原型，它具有對稱的立方八面體晶格結構，后來科學家們將擁有這種晶格結構的一類物質統(tǒng)稱為鈣鈦礦。

這類材料通常具有ABX3的化學式，其中A,B,X都對應著不同的離子，通常，A代表有機胺陽離子，B代表金屬陽離子，如Pb離子、Sn離子，X代表鹵素陰離子。因此，鈣鈦礦指的不是特定材料，而是一種結構、一類物質。這類材料應用的光電領域具有極大的優(yōu)勢，其種類繁多，對光的吸收能力強，吸收范圍廣，幾乎可以吸收全部可見光，并且能在溫和條件下實現(xiàn)低成本的制備，對產(chǎn)業(yè)化應用極具意義。

CaTiO3礦石及鈣鈦礦材料的晶體結構

鈣鈦礦太陽能電池的制備成本僅僅是單晶硅太陽能電池的十分之一，卻能達到與之相似的效率，它是如何實現(xiàn)低成本制備的呢？與傳統(tǒng)吸光層復雜的純化和刻蝕工藝不同，它可以通過簡單的溶液法合成，目前實驗室使用最為廣泛的方法是“旋涂法”，即在基底材料表面滴加溶液，高速旋轉后均勻鋪開結晶成膜，可用于微型器件的制備。大面積制備可以通過柔性印刷工藝實現(xiàn)，這與平時的紙質印刷的原理相似，就如同油墨鋪在紙張上一樣，高效且成本低廉。

在太陽能電池中，鈣鈦礦層僅需0.5微米就可以實現(xiàn)光電轉換的功能，而硅則需要200微米。因此，鈣鈦礦太陽能電池原料成本低、工藝簡單，并且可以在柔性基地表面制備，克服了傳統(tǒng)電池制備對環(huán)境要求嚴苛、制備工藝高能耗、高成本、易造成環(huán)境污染的缺點。

鈣鈦礦材料的柔性印刷工藝

04 鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)勢與瓶頸

鈣鈦礦太陽能電池的綜合優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：一是效率，短期內(nèi)已達到傳統(tǒng)電池的水平；二是性能，它質量輕，可柔性制備，其晶體結構在受到彎折后還能恢復原狀，這大大拓寬了它的應用領域；三是制備工藝簡單，成本低廉。然而，集眾多優(yōu)勢于一身的鈣鈦礦材料在實現(xiàn)工程應用路上，仍存在著亟待解決的瓶頸問題，吸引著科學家們不斷探索鉆研。瓶頸問題有三個方面。

一是有些鈣鈦礦含Pb這種有毒物質，因此開發(fā)無毒化鈣鈦礦材料一直是該領域重要的研究方向，目前已經(jīng)有研究成果表明可以用Sn元素來替代Pb，也能實現(xiàn)高的光電轉換效率。

二是鈣鈦礦材料對于氧氣和水不穩(wěn)定，這個問題一方面可以通過改善封裝技術來解決；另一方面，目前很多課題組都將研究重點從刷高效率轉移到提高環(huán)境穩(wěn)定性上來，相信在不久的將來，穩(wěn)定性問題也一定會被突破。

三是還需進一步開發(fā)大面積印刷工藝，實現(xiàn)批量制備，從而推動其產(chǎn)業(yè)化應用。

05 上天入地的鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池可以應用在哪些領域呢？它憑借著自身微型化、柔性化、輕質化的特點，可以應用在我們生活的方方面面，小到為柔性可穿戴電子產(chǎn)品供電；再到汽車天窗，安裝在車頂為汽車提供混合動力；大面積太陽能電池板甚至能貼附于大樓的表面，為整棟大樓供電。

除了我們的日常生活，在空天科技領域鈣鈦礦太陽能電池也能大顯神通。我們都知道輕質對于飛行器來說有多么重要，它憑借著自身輕質柔性的優(yōu)勢，能貼附于無人機的機翼，適應不同彎曲弧度的機翼表面，為無人機巡航提供能源動力；它還能應用在月球車和衛(wèi)星的帆板，源源不斷地提供動力來維持宇宙飛行器的日常運行；甚至還能應用在空間站，成為最堅實可靠的能源保障。鈣鈦礦太陽能電池可柔性折疊，具有輕質和高能質比的優(yōu)勢，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻射性能來抵抗宇宙來自四面八方的射線輻射；而且在宇宙環(huán)境中，沒有水和氧，鈣鈦礦材料的不穩(wěn)定性也不再是問題。

因此，鈣鈦礦太陽能電池成為最具應用潛力的空間光伏技術之一。第二十二屆北京青年學術演講比賽復賽選手，中國航發(fā)北京航空材料研究院的劉丹陽（北京航空材料研究院推薦）認為，在不久的將來，鈣鈦礦太陽能電池一定會承載著使命和責任，帶領我們飛向宇宙世界的星辰大海。