近一年來(lái)，鈣鈦礦型電池已經(jīng)受到重量級(jí)期刊的廣泛報(bào)道，媒體轉(zhuǎn)載也是鋪天蓋地。長(zhǎng)江后浪推前浪，09年橫空出世的年輕電池形態(tài)有沒(méi)有潛力把前輩們拍在沙灘上？
鑒于這個(gè)名詞容易引起誤解，先一起來(lái)看看廬山真面目–鈣鈦礦（Perovskite）泛指一類(lèi)陶瓷氧化物，由于存在于礦石中的鈦酸鈣（CaTiO3）化合物最早被發(fā)現(xiàn)，因此而得名。后來(lái)鈣鈦礦成為固體物理里面對(duì)這一類(lèi)晶格類(lèi)型的稱(chēng)呼，其分子通式為ABX3，A，B，X可以代表不同元素。從構(gòu)成來(lái)看，它們是一系列無(wú)機(jī)化合物。
而近來(lái)大熱的新型電池也被稱(chēng)做鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（Perovskite-Based Solar Cells），并不是因?yàn)椴捎昧松厦嫣岬降奶沾裳趸镒鳛椴牧?，恰恰相反，這類(lèi)電池的活性材料是有機(jī)鉛碘化合物（甲胺鉛碘，化學(xué)式CH3NH3PbI3）。那為什么還以此命名呢？因?yàn)榧装枫U碘可以形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體，有機(jī)短鏈、鉛離子以及碘離子分別占據(jù)晶格的A、B、X位置，由此構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)。為了方便起見(jiàn)，大概就約定俗成為鈣鈦礦型（或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)）太陽(yáng)能電池。
但是有的媒體報(bào)道的時(shí)候，因?yàn)椴涣私饩売?，直接說(shuō)成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，甚至引出鈦酸鈣（CaTiO3）來(lái)分析資源儲(chǔ)量，誤人不淺。退一萬(wàn)步說(shuō)，如果真用CaTiO3來(lái)做電池，它的能帶寬度對(duì)應(yīng)于387納米的光線，意味著不可能吸收利用任何可見(jiàn)光，所以當(dāng)做活性材料是沒(méi)有意義的，用做傳導(dǎo)材料倒是不無(wú)可能。鯨魚(yú)不是魚(yú)，龍貓不是貓，此鈣鈦礦并非彼鈣鈦礦，現(xiàn)在我們可以清楚的分辨這一點(diǎn)了。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池屬于哪個(gè)種類(lèi)？
有機(jī)鉛碘化合物晶體具有獨(dú)特的光電性能，它的八面體體系有利于電子和空穴的傳輸，使得該類(lèi)材料具有優(yōu)異的載流子傳輸特性。而且還有合適的能帶結(jié)構(gòu)，較好的光吸收性能，能夠吸收幾乎全部范圍的可見(jiàn)光用于光電轉(zhuǎn)換。以鈣鈦礦型鉛碘化合物為活性吸光材料的薄膜電池，普遍來(lái)說(shuō)兩邊還分別需要電子傳輸層（一般為二氧化鈦TiO2）和空穴傳輸層來(lái)輔助導(dǎo)出電流。因此從結(jié)構(gòu)來(lái)看，個(gè)人覺(jué)得可把它歸為廣義敏化太陽(yáng)能電池的一種。但是學(xué)術(shù)上對(duì)它的工作機(jī)理還存在敏化機(jī)制和異質(zhì)結(jié)機(jī)制的爭(zhēng)論。
鈣鈦礦型電池是在09年左右報(bào)道出現(xiàn)，屬于新生代“05后”。來(lái)看看“05后”新型電池的四大殺器：
1、效率值及其潛力
鈣鈦礦型電池在09年橫空出世之后，其光電轉(zhuǎn)化效率在近5年內(nèi)從3.8%迅速提高到15.6%，被SCIENCE評(píng)選為2013年十大科學(xué)突破之一。效率值高于非晶硅電池實(shí)驗(yàn)室值，更是甩開(kāi)它的近親–染料敏化和有機(jī)太陽(yáng)能電池幾條街的距離。最重要的是隨著電池工藝的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，暫時(shí)還看不到它效率值的天花板。
2、制備條件和成本
能源消耗和生產(chǎn)成本對(duì)當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤為重要，制備條件溫和、電池結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單是鉛碘化合物電池的優(yōu)點(diǎn)。制備方法有液相、氣相和氣-固沉積等，鉛碘化合物容易自組裝形成晶體，各層材料的制備溫度可以不超過(guò)150度，低溫意味著低能耗。另外每層都可做成平面型結(jié)構(gòu)（Planar Structure），可以避免制備特殊納米結(jié)構(gòu)的繁雜性和不確定性（有一篇NATURE作者特別指出，此類(lèi)高效率電池并不需要納米結(jié)構(gòu)的材料），符合大量生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)要求。
3、建筑一體化潛力
在集中電站和屋頂發(fā)電之外，光伏的建筑一體化已經(jīng)是箭在弦上。鈣鈦礦型電池屬于薄膜電池，目前主要就是沉積在玻璃上，還可以通過(guò)控制各層材料的厚度和材質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同程度的透明度，當(dāng)然也會(huì)降低效率值，不過(guò)對(duì)這類(lèi)應(yīng)用是值得嘗試的。例如牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以做出半透光（灰褐色）的電池。如果這種將采光與發(fā)電融為一體的太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)順利，有望成為高樓大廈幕墻裝飾、車(chē)輛有色玻璃貼膜等的替代品，這對(duì)于拓展太陽(yáng)能電池的更廣泛應(yīng)用意義重大。
4、原料儲(chǔ)量和毒性
大家可能注意到材料里含有鉛，不過(guò)鉛跟其他類(lèi)型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比就是小巫見(jiàn)大巫了，事實(shí)上固化封裝的各類(lèi)太陽(yáng)能電池都很安全，不會(huì)危害日常生活。再就是自然儲(chǔ)量夠不夠商業(yè)化生產(chǎn)？鉛早已經(jīng)在商業(yè)化產(chǎn)品中大量應(yīng)用了，這自然不會(huì)是問(wèn)題。舉個(gè)栗子：假設(shè)將來(lái)鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池年產(chǎn)能達(dá)到不可能的1000GW（吉瓦，一吉瓦等于一百萬(wàn)千瓦），那么需要的鉛也不到一萬(wàn)噸，相比之下，鉛酸蓄電池每年消耗的鉛高達(dá)4百萬(wàn)噸。而其他元素和材料也都比較常見(jiàn)，不會(huì)成為供應(yīng)鏈的短板。
說(shuō)了半天，敢情這電池一點(diǎn)缺點(diǎn)沒(méi)有啊？當(dāng)然不是。目前主要有兩類(lèi)問(wèn)題：
一是普遍采用的空穴傳輸材料（Spiro-OMeTAD）較為昂貴，這提升了整個(gè)電池的成本。如果能避免使用這種材料將是最好的選擇，值得一提的中科院物理所孟慶波研究組通過(guò)界面調(diào)控和薄膜沉積優(yōu)化，在無(wú)空穴傳輸材料的鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜電池研究方面取得了重要進(jìn)展，電池效率突破10%。
二是電池使用了部分有機(jī)材料，長(zhǎng)期穩(wěn)定性自然也值得進(jìn)一步檢驗(yàn)。有關(guān)電池壽命的研究很少，目前僅有一個(gè)研究封裝的電池在45度下全負(fù)荷光照時(shí)的工作情況報(bào)道，結(jié)果表明500小時(shí)后電池的效率下降少于20%，這個(gè)結(jié)果應(yīng)該算不錯(cuò)了，穩(wěn)定性壓倒有機(jī)太陽(yáng)能電池。畢竟鈣鈦礦型電池作為新興的電池形態(tài)，才發(fā)展了5年，可以預(yù)期這兩方面會(huì)有足夠改進(jìn)的空間，是騾子是馬大家拭目以待吧。
