中美兩國的大學,都在鈣鈦礦太陽能電池上取得了新的突破

導語：在美國，史丹福大學的團隊表示，他們發現了快速製造鈣鈦礦電池的、可商業化的工藝，並已經獲得了專利；在中國，南京大學的研究團隊則創造了新的穩定光電轉化效能紀錄，通過了權威認證，並獲得了權威榜單的認可。

鈣鈦礦電池模塊

太陽能電池板發電是清潔能源的一種。但當前大多數太陽能電池是由精製矽（refined silicon）製成，而提煉矽材料的過程需要消耗大量的電，也就是說，發電廠為此將產生大量碳排放。

為了尋求替代矽的環保材料，研究人員將重點放在了鈣鈦礦薄膜（thin-film perovskites）上。這是一種低成本的柔性太陽能電池材料，生產鈣鈦礦薄膜所需的耗能較低，而且幾乎不會產生二氧化碳排放。

雖然前景很好，但鈣鈦礦太陽能電池要實現商用和普及，仍有諸多難點有待解決。例如，鈣鈦礦的不穩定性，就是阻礙大規模生產的難點。

「鈣鈦礦太陽能技術的商業化，仍處於脆弱的十字路口，數百萬美元資金投向了初創企業，但如果在未來三年內無法在延長電池壽命上獲得突破，投資有可能面臨枯竭。」史丹福大學博士後尼克·羅爾斯頓(Nick Rolston)說。 （羅爾斯頓是本項目的兩個研究主持人之一，另一位是達特茅斯學院助理教授、史丹福大學前博士後威廉·謝德勒（William Scheideler）。）

羅爾斯頓稱，這也是史丹福大學開發的鈣鈦礦生產新工藝令人振奮的原因。

在11月25日出版的《焦耳》雜誌中，羅爾斯頓和他的同事，闡述了可以快速生產穩定的鈣鈦礦電池的新方法。新工藝生產的鈣鈦礦電池可以組成太陽能電池模塊，給設備、建築乃至電網供電。

史丹福大學工程學院教授、項目資深作者萊因霍爾德·道斯卡德（Reinhold Dauskardt）稱，這項工作給鈣鈦礦的生產樹立了新的裡程碑，解決了鈣鈦礦太陽能電板規模化生產所面臨的嚴峻障礙問題。（Reinhold Dauskardt 的正式頭銜是「Ruth G.和William K. Bowes教授」，這個如何翻譯，如果對史丹福大學更為了解的人，可告知我們，謝謝——遠鑑智庫·低碳經濟發展研究室 注）

01實驗樣本都太小

鈣鈦礦太陽能電池，是由廉價和豐富的的化學物，例如碘、碳、鉛等合成的晶體薄膜。作為薄膜電池，不僅重量輕、可完全，而且可以在接近水沸點（100攝氏度）的露天環境下製成，而工業矽則需要在1650攝氏度的熔爐中生產。

科學家們目前開發的鈣鈦礦電池，光能轉電效率高達25%，已能與矽材料太陽能面板媲美。但鈣鈦礦材質的太陽能面板，離安裝到房頂，距離還很遠。

「很多鈣鈦礦電池項目研究還停留在很小尺寸上，通常只有指甲蓋大小。」羅爾斯頓說。之所以只能使用如此小的尺寸進行研究，主要的原因就是，嘗試製造更大尺寸的鈣鈦礦薄膜電池時，會出現缺陷和小孔等問題，會大大降低電池效能。

和矽材料太陽能電池不同，目前的鈣鈦礦薄膜電池還很容易在受熱、受潮時產生降解現象。「在實驗室裡做用於演示的小型材料不難，但那個方法無法實現快速、高效的規模化生產。」道斯卡德說。

02新的工藝和效率

為了解決大規模生產難題和挑戰，道斯卡德團隊使用了名為「快速噴塗等離子處理」的工藝——也是他們最近的一項發明專利技術。

該技術使用一種帶有兩個噴嘴的機器人設備快速生產鈣鈦礦薄膜。一個噴嘴將液態的鈣鈦礦化物噴在玻璃面板上，另一個噴嘴則提供等離子體的高活性電離氣體。

「常規的生產鈣鈦礦電池的工藝，是將鈣鈦礦溶液烘烤半個小時左右，」羅爾斯頓說，「我們的創新是，使用等離子體高能源，直接將液態的鈣鈦礦液體生產成薄膜太陽能電池。」

史丹福大學博士後尼克·羅爾斯頓(Nick Rolston)

通過這種快速噴塗工藝，史丹福大學的團隊可以做到一分鐘生產12米鈣鈦礦薄膜，大約是矽材料電池的生產速度的四倍。

「我們實現了所有太陽能技術中最高的生產效率。」羅爾斯頓稱，「你可以想像成，在大塊玻璃上放一個滾動的棍子，以前所未有的速度滾過，連續生產鈣鈦礦塗層。」

除了創紀錄的生產效率，新工藝製造的鈣鈦礦電池，能夠獲得18%的光能轉電效率。

「我們希望這一工藝能夠儘快得到推廣和大面積應用。」羅爾斯頓說，「等離子處理系統聽上去就很炫，而且您可以用非常合理的價格購買它。」根據史丹福大學的這個研究小組的估算，他們的鈣鈦礦太陽能薄膜電池生產成本，每平方英尺大約25美分，遠遠低於當前常規矽材料太陽能電池模塊成本的2.5美元。

03使用壽命的問題

矽太陽能電池，通常是將封裝模塊連接起來，一方面提高輸出功率，另一方面則可以更適應環境條件。

鈣鈦礦電池必須擁有足夠穩定、高效的模塊，才能實現商業用途的可行性。

斯坦福團隊為此製造了鈣鈦礦模塊，測試結果表明，即使在常規環境中放置5個月後，模塊的光能轉電效能仍能達到15.5%。

傳統矽材料太陽能電池，發電成本大約是5美分/千瓦時。為了與矽材料競爭，鈣鈦礦模塊必須封裝在防潮層中，而且要確保該防潮期限長達十年。研究團隊目前正在研究，採用何種封裝技術或者其他方法，來提高鈣鈦礦材料太陽能電池模塊的耐用性。

「如果我們找到使用壽命達到30年的方法，我們可以將鈣鈦礦模塊的發電成本，降到2美分/千瓦時或者更低。」羅爾斯頓說，「有這個價格，我們就可以考慮使用鈣鈦礦薄膜太陽能電池用於規模化的商業能源的生產，例如建設100兆瓦的太陽能電場。」

04在中國的進展（遠鑑智庫補充）

10月5日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組，在《自然能源》雜誌上發表論文，介紹了研究團隊在「大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池上獲得新突破」的情況。

南京大學 譚海仁 教授

譚海仁研究團隊的成果，經過日本電器安全和環境技術實驗室（JET）的認證，穩態光電轉換效率達到了24.2%，這也刷新了大面積鈣鈦礦太陽能電池效率的世界紀錄。

「太陽能電池效率表」是由太陽能之父Martin Green教授與美、日、意、澳等多國科學家聯合編撰的權威榜單，代表著光伏領域全球最前沿的創新水平。

之所以在JET實驗室進行測試和認證，是因為「Solar cell efficiency tables（太陽能電池效率表）」紀錄榜單，只認可美國國家可再生能源實驗室（NREL）、日本產業技術綜合研究所（AIST）、日本電氣安全和環境技術實驗室（JET）、德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所（Fraunhofer-ISE）等7家世界公認的第三方檢測機構提供的測試結果。

據南京大學發布的消息，以及譚海仁課題組發表的文章，這一紀錄是在1平方釐米的尺寸上實現的；團隊還實現了在12平方釐米上獲得21.4%的轉換效率——這也是全球首次在面積超過10平方釐米的鈣鈦礦電池中首次超過20%的效率。

05研究方向的差異

美國史丹福大學11月25日在學校官網發表的這篇文章，名稱是「Stanford scientists invent ultrafast way to manufacture perovskite solar modules」，即《史丹福大學的科學家發明了快速製造鈣鈦礦太陽能模塊的方法》，是本文主體內容，主要是工藝流程和工程實現上的進展。

斯坦福的這些進展的表態，更像是為了儘快出售其專利技術或取得融資，而發布的軟性廣告。

遠鑑智庫注意到，已有人翻譯了斯坦福的這篇文章，但在標題上有明顯的誤導，強調「鈣鈦礦電池材料比矽電池材料便宜了100倍」，但事實並非如此，原文也並非表達這一觀點。

因此遠鑑智庫嘗試進行更為準確的介紹。

與之相比，我國高校的科研方向，則是探索更高的光電轉化效能，但在鈣鈦礦電池的生產工藝改進和商業化實現上，相應的探索和技術成果轉化意圖，還不夠明顯。

本文為「遠鑑智庫·低碳經濟發展研究室」編譯、整理；未經許可，請勿轉載。