俄勒岡州立大學(xué)的太陽(yáng)能研究人員正在將他們的科學(xué)焦點(diǎn)聚焦在將近兩個(gè)世紀(jì)前發(fā)現(xiàn)的具有晶體結(jié)構(gòu)的材料上。

并非所有具有這種結(jié)構(gòu)的材料（稱為鈣鈦礦）都是半導(dǎo)體。但是基于金屬和鹵素的鈣鈦礦非常有用，它們具有巨大的潛力，因?yàn)槠涔夥姵氐闹圃斐杀究赡鼙茸?950年代問(wèn)世以來(lái)硅基電池便宜得多。

研究人員說(shuō)，有足夠的潛力也許有一天可以顯著地挖掘化石燃料在能源領(lǐng)域的份額。

OSU工程學(xué)院的JohnLabram是通訊物理學(xué)和《物理化學(xué)快報(bào)》上最近兩篇有關(guān)鈣鈦礦穩(wěn)定性的論文的通訊作者，并且還為《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文做出了貢獻(xiàn)。

在研究科學(xué)，研究人員在牛津大學(xué)為首，揭示了一個(gè)分子添加劑-基于所述有機(jī)化合物哌啶鹽-極大地提高了鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池的壽命。

三篇論文中概述的研究結(jié)果加深了對(duì)一種有前途的半導(dǎo)體的理解，這種半導(dǎo)體源于俄羅斯礦物學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)的發(fā)現(xiàn)。1839年，在烏拉爾山脈，古斯塔夫·羅斯（GustavRose）遇到了具有迷人晶體結(jié)構(gòu)的鈣和鈦氧化物，并以俄羅斯貴族列夫·佩羅夫斯基（Levperovski）的名字命名。

鈣鈦礦現(xiàn)在是指與原始晶格共享的一系列材料。在日本科學(xué)家宮坂勉（TsutmuMiyasaka）發(fā)現(xiàn)某些鈣鈦礦是有效的光吸收劑之后，對(duì)它們的興趣在2009年開(kāi)始新增。

拉布拉姆說(shuō)：“由于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的低成本，它們有潛力削弱化石燃料并徹底改變能源市場(chǎng)。”“然而，這種新型材料的一個(gè)鮮為人知的方面是它們?cè)诤愣ㄕ彰飨碌姆€(wěn)定性，這是阻礙商業(yè)化的一個(gè)問(wèn)題。”

在過(guò)去的兩年中，Labram的電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的研究小組建立了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以研究太陽(yáng)能材料的電導(dǎo)隨時(shí)間的變化。

他說(shuō)：“與牛津大學(xué)合作，我們證明了即使在沒(méi)有電接觸的情況下，光致不穩(wěn)定性也會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)。”“這些發(fā)現(xiàn)有助于澄清在太陽(yáng)能電池中觀察到的相似結(jié)果，并成為提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和商業(yè)可行性的關(guān)鍵。”

太陽(yáng)能電池的效率由陽(yáng)光照射到電池的能量百分比轉(zhuǎn)換為可用的電能來(lái)含義。

七十年前，貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了第一個(gè)實(shí)用的太陽(yáng)能電池。按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，它的效率僅為6%，而且制造成本很高，但它為在太空競(jìng)賽初期誕生的衛(wèi)星供應(yīng)了動(dòng)力。

隨著時(shí)間的推移，即使大多數(shù)電池變化不大，制造成本也會(huì)降低，效率也有所提高–它們?nèi)匀挥蓛蓪訋缀跫儍舻墓杞M成，并摻有添加劑。他們吸收光，利用光的能量在它們之間的交界處出現(xiàn)電流。

2012年，Labram的合作者之一，牛津大學(xué)的HenrySnaith做出了突破性的發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦可以用作太陽(yáng)能電池的重要成分，而不僅僅是用作敏化劑。這引發(fā)了研究活動(dòng)的狂潮，每年就該主題發(fā)表數(shù)千篇科學(xué)論文。經(jīng)過(guò)八年的研究，鈣鈦礦電池現(xiàn)在可以以25%的效率運(yùn)行-使其至少在實(shí)驗(yàn)室中與商用硅電池相當(dāng)。

鈣鈦礦電池可以由通常可得的工業(yè)化學(xué)品和金屬廉價(jià)地制造，并且可以印刷在塑料的柔性膜上并大量生產(chǎn)。相反，硅電池是剛性的，是由昂貴的高溫工藝由幾乎純硅的薄晶片制成的。

鈣鈦礦的一個(gè)問(wèn)題是它們?cè)跍囟壬邥r(shí)趨于不穩(wěn)定的趨勢(shì)，另一個(gè)是易受潮氣的影響，這種結(jié)合會(huì)使細(xì)胞分解。關(guān)于要在戶外持續(xù)使用兩到三十年的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)問(wèn)題。

Labram說(shuō)：“總的來(lái)說(shuō)，要想在美國(guó)和歐洲銷售太陽(yáng)能電池板，要25年的保修期。”“實(shí)際上，這意味著太陽(yáng)能電池在使用25年后應(yīng)顯示出不低于其原始性能的80%。當(dāng)前的硅技術(shù)對(duì)此非常有用。但是，在受控條件下，必須在高于2，000攝氏度的溫度下昂貴地生產(chǎn)硅，才能形成完美的，無(wú)缺陷的晶體，從而使其正常運(yùn)行。”

另一方面，鈣鈦礦具有很高的缺陷耐受性。

他說(shuō)：“它們可以溶解在溶劑中，然后在接近室溫的條件下印刷。”“這意味著它們最終可能僅以硅成本的一小部分進(jìn)行生產(chǎn)，從而減少了化石燃料的使用。但是，要做到這一點(diǎn)，它們要經(jīng)過(guò)25年保修的認(rèn)證。這要我們了解并改善這些材料的穩(wěn)定性。”

進(jìn)入市場(chǎng)的途徑之一是由硅和鈣鈦礦組成的串聯(lián)電池，可以將更多的陽(yáng)光光譜轉(zhuǎn)化為能量。Labram說(shuō)，對(duì)串聯(lián)電池的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試出現(xiàn)了28%的效率，而30年代中期的效率似乎是現(xiàn)實(shí)的。

他說(shuō)：“串聯(lián)電池可能使太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)商供應(yīng)的性能超出僅硅所能達(dá)到的任何性能。”“雙重方法可以幫助消除鈣鈦礦進(jìn)入市場(chǎng)的障礙，而鈣鈦礦最終將成為獨(dú)立的細(xì)胞。”

半透明鈣鈦礦薄膜也可能有一天在窗戶或溫室中使用，將入射的部分陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，而其余部分則通過(guò)。

拉布拉姆說(shuō)：“在發(fā)電方面，成本是最重要的因素。”硅和鈣鈦礦現(xiàn)在顯示出大致相同的效率。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造潛力是硅太陽(yáng)能電池成本的一小部分。盡管歷史已經(jīng)向我們表明，假如您能夠以比化石燃料更低的成本從可再生能源發(fā)電，那么針對(duì)氣候變化的政治行動(dòng)在很大程度上是無(wú)效的，您所要做的就是制造產(chǎn)品，然后市場(chǎng)將照顧到休息。”