隨著關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的最新進(jìn)展頻繁見諸報端，鈣鈦礦太陽能電池正在走進(jìn)人們的視野，并被譽(yù)為太陽能產(chǎn)業(yè)的一匹黑馬。

鈣鈦礦，英文名perovskite，是一種普通的金屬有機(jī)化合物晶體，主要成分是鈦酸鈣（CaTiO3）。1839年德國礦物學(xué)家古斯塔夫-羅斯（GustavRose）在俄羅斯中部境內(nèi)的烏拉爾山脈上發(fā)現(xiàn)了一塊特殊的巖石樣本，于是決定以地質(zhì)學(xué)家LevPerovsk來命名。不過后來我們普遍指的鈣鈦礦電池（全稱：鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池）并不是用這個礦石材料制成的，而是使用了與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)相似的化合物。

鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)是ABX3的形式。這種結(jié)構(gòu)在每個角共享一個BX6正八面體，其中B是金屬陽離子（Sn2+或Pb2+），X是一價陰離子（Cl-，Br-或I-）。鈣鈦礦中的陽離子A被用來抵消電荷使材料達(dá)到電中性，它可以是半徑較大鹼金屬離子等，甚至可以是一個分子。

這種奇特的晶體結(jié)構(gòu)讓它具備了很多獨(dú)特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學(xué)、物理領(lǐng)域有不小的應(yīng)用。鈣鈦礦大家族里現(xiàn)已包括了數(shù)百種物質(zhì)，從導(dǎo)體、半導(dǎo)體到絕緣體，范圍極為廣泛，其中很多是人工合成的。太陽能電池中用到的鈣鈦礦（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）屬于半導(dǎo)體，有良好的吸光性。

在薄膜太陽能電池日漸興起的今天，CIGS薄膜太陽能電池幾乎占據(jù)了大半個版面。但是作為太陽能電池家族中的一員，鈣鈦礦太陽能電池正在嶄露頭角。

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鈣鈦礦自2009年以來開始被用于太陽能電池研究，并被世界各地的多個實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)反復(fù)驗(yàn)證。從2009年到2014年的短短5年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%一下躍升至19.3%，提高了5倍。其效率進(jìn)步之快，成本之便宜，生產(chǎn)之容易，以至于被《科學(xué)》期刊評為2013年的10大科學(xué)突破之一。

2009年，日本桐蔭橫浜大學(xué)的宮坂力通過將薄薄的一層鈣鈦礦（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）當(dāng)做吸光層應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，制造出了鈣鈦礦太陽能電池。當(dāng)時的光電轉(zhuǎn)換率為3.8%。后來研究者對電池進(jìn)行了改進(jìn)，轉(zhuǎn)換效率翻倍。雖然轉(zhuǎn)換效率提高了，但還要面對一個致命問題，即鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易在電池的液體電解質(zhì)中發(fā)生水解，導(dǎo)致電池穩(wěn)定性低，壽命短。

2012年8月，由格拉茲爾領(lǐng)導(dǎo)的韓國成均館大學(xué)與洛桑理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室將一種固態(tài)的空穴傳輸材料（holetransportmaterials，HTM）引入太陽能電池，電池效率一下提高到了10%，也解決了電池不穩(wěn)定的問題，并比以前更容易封裝。

2013年，牛津大學(xué)的亨利-司奈斯將電池中的TiO2用鋁材（Al2O3）代替，鈣鈦礦不僅成為了光的吸收層，也同時是傳輸電荷的半導(dǎo)體材料。鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率一下攀升到15%。

2014年8月，加州大學(xué)洛杉磯分校的華裔科學(xué)家楊陽領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)》期刊上發(fā)表最新研究論文稱，他們通過改進(jìn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)層，選擇更適合傳輸電荷的材料，讓電池兩端的電極能收集更多的電，其轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到了19.3％，成為該領(lǐng)域之最。

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與薄膜太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高、制作工藝簡單、發(fā)電成本低、建筑一體化潛力大等優(yōu)點(diǎn)，比第三代薄膜太陽能更適宜大規(guī)模推廣和使用。

當(dāng)然，由于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)并不成熟，導(dǎo)致科學(xué)家們?nèi)杂写罅侩y題亟待攻破。首先鈣鈦礦電池材料中含有鉛，可能會造成一定程度的環(huán)境污染，盡管已經(jīng)有學(xué)者研發(fā)出用錫替代鉛的鈣鈦礦太陽能電池，但其轉(zhuǎn)化效率仍有待提高。其次，鈣鈦礦晶體遇水容易分解，如果使用鈣鈦礦電池發(fā)電，則可能出現(xiàn)電池內(nèi)物質(zhì)滲入建筑物內(nèi)或周圍土壤的情況。再次，目前這種太陽能電池的壽命還不長，迄今為止的最高記錄僅為1000小時，而傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池壽命可達(dá)25年，兩者間差距仍然較大。

鈣鈦礦太陽能電池盡管優(yōu)勢眾多，但其離真正投產(chǎn)仍有一段距離。只有突破上述劣勢，鈣鈦礦太陽能電池才能真正成為行業(yè)黑馬。