近年來鈣鈦礦 （perovskite） 太陽電池因其創(chuàng)紀(jì)錄的高效能、低廉的制造成本而備受矚目。最近，美國科學(xué)家研發(fā)出制造毫米級鈣鈦礦晶體的溶液制程技術(shù)，制造出之成品較先前的奈米級、次微米級晶體材料大上幾個數(shù)量級。粒徑越大代表缺陷較少，而鈣鈦礦的特性可媲美其他無機(jī)太陽電池材料，成本卻低廉許多。從 2009 年到 2014 年的短短 5 年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從 3.8% 一下子躍升至 19.3%，提高了 5 倍。其效率進(jìn)步之快，成本之便宜，生產(chǎn)之容易，以至于被《Sciences Journals》評為 2013 年的 10 大科學(xué)突破之一。
洛斯阿拉莫斯 （Los Alamos） 國家實驗室的研究員 Aditya Mohite 表示，在短短兩年之中，鈣鈦礦太陽電池的效能已經(jīng)達(dá)到20%，相形之下，其他奈米材料花了二十年才達(dá)到 9% 的效能。Mohite 也認(rèn)為，其團(tuán)隊所研發(fā)出提升鈣鈦礦晶體質(zhì)量的方法，也可望應(yīng)用來提升晶體質(zhì)量，以獲得更佳的光電特性。納米材料科技雖然能得到好的光學(xué)質(zhì)量，但因具有多重接口會造成電子-空穴的復(fù)合。若能制造質(zhì)量更佳的晶體，將能改善此狀況。另外，缺陷與晶界產(chǎn)生的陷獲態(tài) （trap state） 會限制電荷載子的活動，因此晶體質(zhì)量可由逆轉(zhuǎn)電壓掃描時是否產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象 （hysteresis） 得知；而上述方法的到的鈣鈦礦晶體并無遲滯現(xiàn)象。此外，該團(tuán)隊也測量了開路電壓與光強(qiáng)度之間的關(guān)系，顯示雙分子復(fù)合過程主導(dǎo)材料的光電行為。
但這畢竟是學(xué)術(shù)上的研究，在進(jìn)行商轉(zhuǎn)前我們必須先解決以上鈣鈦礦電池的難題：
1）。 有毒 → 鈣鈦礦電池材料含有鉛，不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比，簡直就是小巫見大巫。而美國西北大學(xué)也已研發(fā)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(zhuǎn)換效率還只有 6％，目前處于研發(fā)初級階段，效率還有提升空間；
2）。 不穩(wěn)定 → 鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發(fā)，而當(dāng)晶體遇水時則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發(fā)電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中；
3）。 壽命不長 → 目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達(dá)到 1000 小時，由華中科技大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作研發(fā)。而傳統(tǒng)晶硅電池壽命一般可達(dá)到 25 年，比鈣鈦礦電池長得多。
我還是看好鈣鈦礦電池的未來，也相信研究人員會找出最佳方案來取代現(xiàn)有技術(shù)，但你要問甚么時候可以來臨，很多事都說不準(zhǔn)。舉例來說，電動車應(yīng)該可以取代汽油車，汽油也降價了，又跑出來一個頁巖氣來攪局。所以說，技術(shù)是可以先突破放在哪里等機(jī)會上位，但如果原先消費習(xí)慣及性價比一時之間還沒有被接受，也不見得最佳方案就能成功上市。
有機(jī)/無機(jī)雜化的鈣鈦礦電池具有成本低、低溫柔性及易于大面積印刷等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。過去十年，鈣鈦礦電池的研究迅猛發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已從初始的2.2%迅速提高到22.1%（圖1上），接近硅太陽能電池水平。大面積電池也發(fā)展迅速（圖2）。因此鈣鈦礦太陽能電池具有巨大的發(fā)展前景。
影響鈣鈦礦電池商業(yè)應(yīng)用的主要原因是其電池的穩(wěn)定性，目前鈣鈦礦電池僅能在使役條件下工作數(shù)月（圖1下），而傳統(tǒng)的硅電池能夠工作超過25年。因此，如何提高鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性是目前這一領(lǐng)域最為重要的問題，各國科學(xué)家競相在這方面開展工作。應(yīng)《自然》（Nature）雜志的邀請，加州大學(xué)洛杉磯分校教授Yang Yang與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員游經(jīng)碧近期撰寫了題為Make perovskite solar cells stable 的評論文章（Yang Yang， Jingbi You， Nature， 544， 155-156 （2017））。
針對目前的研究進(jìn)展，他們概括出了五種改善鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性的手段：
1） 調(diào)控鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)，通過少量摻雜提高鈣鈦礦材料的相穩(wěn)定性；
2）降低鈣鈦礦晶體缺陷，減少外界環(huán)境的滲透通道；
3）設(shè)計新的穩(wěn)定的鈣鈦礦材料；
4）采用穩(wěn)定的無機(jī)電荷傳輸層；
5）改善封裝工藝等。同時，他們呼吁投入更多的經(jīng)費和人力參與提高穩(wěn)定性的工作中來；理論物理學(xué)家、材料化學(xué)家以及器件工程師應(yīng)緊密合作，開發(fā)與研制出新的穩(wěn)定的鈣鈦礦基太陽能材料及器件。此外，研究者們在報道器件穩(wěn)定性時必須采用統(tǒng)一的穩(wěn)定性測試標(biāo)準(zhǔn)。只有這樣，才能加快鈣鈦礦電池商業(yè)化進(jìn)程，為人們所用。
Yang Yang和游經(jīng)碧是該評論文章的共同通訊作者。
圖1. （上） 過去十年鈣鈦礦電池發(fā)展效率的趨勢圖，（下） 鈣鈦礦電池穩(wěn)定性發(fā)展圖。
圖2. 大面積鈣鈦礦太陽能電池