新型鈣鈦礦電池：穩定、高效、便宜、便於製造！
背景
太陽能，是頗具代表性的新能源之一。其優勢包括：清潔、可再生、無污染、易獲取等等。為了將太陽光的能量直接轉化為電能，我們通常要藉助一種設備：太陽能電池。如今，太陽能電池在我們的身邊到處可見，例如：窗戶、牆壁、汽車、智能手機、平板電腦等物品中都會見到太陽能電池的身影。
（圖片來源：維基百科）
迄今為止，大多數的太陽能電池都是由硅製成，因為這種材料非常善於吸收光線。可是，硅面板的製造成本卻很昂貴。
科學家們一直都在研究由鈣鈦礦組成的結構，使之成為硅的替代品。真正的鈣鈦礦，是一種存在於地球中的礦物，它由鈣、鈦、氧分子經過特殊排列而成。具有相同晶體結構的材料稱為鈣鈦礦結構。
相比於共棱、共面形式連接的結構，鈣鈦礦結構顯得更加穩定，更有利於缺陷的擴散遷移。因此，鈣鈦礦具備了許多優異的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等。
（圖片來源：維基百科）
鈣鈦礦結構非常適合作為太陽能電池吸收光線的活性層，因為它們吸收光線的效率比硅更高，且成本更低廉。將鈣鈦礦結構集成到太陽能電池中，需要採用的設備也相對簡單。例如，它們可以溶解到溶劑中，直接噴塗到基底上面。
由鈣鈦礦結構組成的材料有望為太陽能電池設備帶來一場革命，但是卻具有一個嚴重的缺陷：它們通常很不穩定，在高溫條件下性能會退化。這嚴重阻礙了它們的商用。
創新
日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）能量材料與表面科學單位的研究人員，由Yabing Qi 教授領導，採用一種穩定、高效且相對便宜的鈣鈦礦材料開發出太陽能電池，同時也為這種鈣鈦礦材料未來在太陽能電池中的應用鋪平了道路。
他們的研究論文最近發表於《先進能源材料（Advanced Energy Materials）》雜誌。博士後學者 Jia Liang 博士和 Zonghao Liu 博士對這項研究作出了主要貢獻。
（圖片來源：OIST）
技術
這種材料具有幾種關鍵特徵。首先，它是完全無機的（一個重要的變化），因為有機成分通常不耐熱，性能會在高溫條件下退化。因為太陽能電池會在太陽光照射下變得過熱，所以熱穩定性顯得非常關鍵。通過無機材料取代有機成分，鈣鈦礦太陽能電池會變得更加穩定。
如下圖所示，這種全無機鈣鈦礦太陽能電池具有幾層。底層是僅有幾毫米厚的玻璃，第二層是透明導電材料FTO，接下來是由二氧化鈦組成的電子活性層，第四層是光敏鈣鈦礦，頂層是碳。
（圖片來源：OIST）
下圖是鈣鈦礦太陽能電池的電子顯微鏡圖像，它顯示出不同的層。
（圖片來源：OIST）
論文作者之一的 Zonghao Liu 博士說：「太陽能電池在暴露於光線中300小時後，幾乎未發生改變。」
然而，所有的無機鈣鈦礦太陽能電池都比有機無機混合物的光線吸收率要低。第二個特徵也由此而來：OIST的研究人員將新型電池與錳摻雜，以改善其性能。錳改變了材料的晶體結構，提升了光線吸收能力。Liu 表示：「就像你將鹽放入一盤菜中來改變它的口味一樣，當我們添加錳的時候，它改變了太陽能電池的特性。」
第三，在這些太陽能電池中，在太陽能電池之間傳輸電流的電極和外部電線都是由碳組成，而不是通常用的金。這些電極特別便宜且易於製造，一部分是由於它們能夠直接印刷到太陽能電池中。從另外一方面說，製造金電極則需要高溫條件以及真空室等特殊設備。
價值
（圖片來源：OIST）
總結一下，這項研究開發出的鈣鈦礦太陽能電池具有幾項優勢：熱穩定性好、光線吸收率高、製造工藝簡單且成本低。因此，這項研究也為未來鈣鈦礦太陽能電池的大規模商用奠定了基礎。
未來
在變成像硅太陽能電池一樣的商用產品之前，鈣鈦礦太陽能電池仍有一系列的挑戰需要克服。例如，鈣鈦礦太陽能電池可保持運行一到兩年，而硅太陽能電池可運行達二十年。
為了改善這些新型電池的效率和持久性，Qi 及其同事們正努力工作，同時也在開發製造商用產品的工藝。2009年，首個太陽能電池被報道開發出來。此後，這項技術進展迅猛，這些新型電池的前景看上去很光明。
關鍵字
鈣鈦礦、電池、太陽能、材料
參考資料
【1】https://www.oist.jp/news-center/news/2018/4/27/bright-future-solar-cell-technology
【2】Jia Liang, Zonghao Liu, Longbin Qiu, Zafer Hawash, Lingqiang Meng, Zhifang Wu, Yan Jiang, Luis K. Ono, Yabing Qi.Enhancing Optical, Electronic, Crystalline, and Morphological Properties of Cesium Lead Halide by Mn Substitution for High-Stability All-Inorganic Perovskite Solar Cells with Carbon Electrodes. Advanced Energy Materials, 2018; 1800504 DOI: 10.1002/aenm.201800504
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