鈣鈦礦太陽能電池作為新一代太陽能電池正受到越來越多的關(guān)注。
使用優(yōu)點(diǎn)多
作為新一代太陽能電池，“鈣鈦礦太陽能電池”正備受關(guān)注。它能安裝在窗戶和墻壁上，還能在室內(nèi)發(fā)電，由于使用方便，日本國內(nèi)外都在加快推進(jìn)研發(fā)以實(shí)現(xiàn)商用化。
太陽能電池用來制作的材料盡管多種多樣，但目前得以普及的太陽能電池中，95%以上是硅太陽能電池。
不過，硅如果太薄就會破裂，因此需要一定厚度。硅太陽能電池重量為平均每平方米10至15公斤，僅限于安裝在強(qiáng)度較高的建筑物頂或樓頂?shù)鹊?。由于?fù)雜的制造工藝，成本高也是一個課題。
而鈣鈦礦太陽能電池解決了上述問題。鈣鈦礦是一種晶體結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦太陽能電池是利用碘、鉛等結(jié)晶形成的薄膜來發(fā)電。即使厚度僅為0.1微米，它也能進(jìn)行發(fā)電。重量僅為硅的十分之一左右。
鈣鈦礦太陽能電池有很好的可彎曲性，可以安裝在過去難以放置的地點(diǎn)。只要在薄玻璃或塑料基板上涂上材料，就可以非常簡單并以很低成本制造出來。而且，即使是陰天或雨天，利用室內(nèi)光線都能進(jìn)行發(fā)電。
在受到光照的情況下，鈣鈦礦層會吸收光，電子會從原子中脫落，進(jìn)而出現(xiàn)電子的空殼部分“空穴”。電子帶負(fù)電，“空穴”則帶正電。
鈣鈦礦層夾在電子傳輸材料和“空穴”傳輸材料之間。電子和“空穴”在鈣鈦礦內(nèi)部分別向負(fù)極和正極方向擴(kuò)散，分成兩側(cè)電極，從而進(jìn)行發(fā)電。
鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)者之一是日本桐蔭橫濱大學(xué)特聘教授宮坂力，他原來的研究領(lǐng)域是使用色素和氧化鈦等材料發(fā)電。情況在2006年突然發(fā)生變化。當(dāng)時還是研究生的小島陽廣說：“打算制造一種將色素?fù)Q成鈣鈦礦的發(fā)電裝置。”鈣鈦礦太陽能電池的研究由此開始。
在2009年，用鈣鈦礦太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換效率為3.8%，經(jīng)過反復(fù)研究，轉(zhuǎn)化效率提高到了10.9%。2012年上述成果在《科學(xué)》雜志上發(fā)表后，這一技術(shù)在全球引發(fā)了研究熱潮?，F(xiàn)在，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可以與硅型太陽能電池相匹敵，達(dá)到20.5%左右。
如果鈣鈦礦太陽能電池得以普及，人們就可以輕松地自己進(jìn)行制作，還可以利用室內(nèi)光照為智能手機(jī)充電。
宮坂描繪了這樣的未來：“如果安裝地點(diǎn)允許鈣鈦礦太陽能電池和硅太陽能電池協(xié)調(diào)共存，就會出現(xiàn)街上到處都有太陽能電池的社會，可能會形成電力自給自足的結(jié)構(gòu)。”
全面推廣難
鈣鈦礦太陽能電池也面臨挑戰(zhàn)。一是它不耐水分和損傷，二是含有對人體有害的鉛。
京都大學(xué)教授若宮淳志的研究團(tuán)隊(duì)使用毒性比鉛更低的錫進(jìn)行研究開發(fā)，將鉛含量減少的部分換成錫，在2022年穩(wěn)定獲得了23.6%的轉(zhuǎn)換效率。
在歐洲，鉛的使用受到限制。若宮說：“為推動產(chǎn)業(yè)化，要求實(shí)現(xiàn)無鉛化。我們也希望推進(jìn)不含鉛的高性能電池研究。”
日本國內(nèi)外正在積極推進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的商用化。據(jù)咨詢公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測，到2020年代中期將正式開始批量生產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池；到2035年，其市場規(guī)模將擴(kuò)大到1萬億日元(約合67億美元)。
為了支持開發(fā)這項(xiàng)源自日本的技術(shù)，日本政府4月提出了在2030年之前普及鈣鈦礦太陽能電池的方針。但是，要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)還要解決以下幾個課題。
首先需要大面積均勻涂抹技術(shù)，涂抹不均勻會使質(zhì)量下降。由于涂抹面積變大可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降，因此兼顧大面積和高轉(zhuǎn)換效率也很重要。在日本國內(nèi)，積水化學(xué)工業(yè)、東芝、鐘化等公司正在進(jìn)行研發(fā)。
鐘化還致力于開發(fā)硅太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池相疊加的“串聯(lián)型”太陽能電池。這兩種電池所吸收光的波長不同。兩種電池的組合，可以比一種電池吸收更大范圍波長的光，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率。
相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)開始。以2025年開展這項(xiàng)事業(yè)為目標(biāo)，積水化學(xué)工業(yè)今年春天將鈣鈦礦太陽能電池安裝在東京都污水處理設(shè)施的處理槽蓋上，截至2025年將對其轉(zhuǎn)換效率和耐用性進(jìn)行調(diào)查。JR西日本公司的大阪地下車站廣場也計劃于2025年春天進(jìn)行安裝并投入使用。
宮坂說：“材料可以在國內(nèi)采購。剩下的就看能完成多大產(chǎn)量。”
日本在硅太陽能電池方面一直依賴從國外進(jìn)口，但在鈣鈦礦太陽能電池的主要原料碘方面，產(chǎn)量位居世界第二。宮坂說，現(xiàn)在全世界大約有3萬多人在開展研究，相關(guān)開發(fā)正在加快。
他說：“對于日本，也許沒有比這更具吸引力的能源了。”
