太陽能：太陽神的寶藏

由鈣鈦礦製造的太陽能電池正在進入市場。

有時，科學發現的重要性需要一段時間才能變得清晰。1839年，在烏拉爾山脈發現了第一個鈣、鈦和氧的化合物——鈣鈦礦，並以俄羅斯礦物學家列夫·佩洛夫斯基伯爵的名字命名。如今這個名稱，已被用來描述與原始的晶體結構相同的其他化合物。2006年，日本東京大學的Tsutomu Miyasaka發現，一些鈣鈦礦是半導體，並指出其可作為新型太陽能電池的基礎。

2012年，英國牛津大學的亨利·斯奈思和他的同事們發現了一種方法，可以使鈣鈦礦的太陽能電池具有略高於10%的效率(根據細胞將光轉換成電流的程度來衡量)。這是一個很好的轉化率，Snaith博士立刻改變了牛津光電公司的方向：生產鈣鈦礦材料。該公司是他聯合創立的一家公司，專門開發新的太陽能材料，而現在只生產鈣鈦礦。2014年成立的波蘭公司Saule 科技公司也在做類似的事情，現在它接近於將第一個商業化的鈣鈦礦太陽能電池推向市場。

今天10%對於鈣鈦礦電池在實驗室的理想條件下的效率是相當低的。對於實驗室電池來說，現在超過22%的效率是常見的。這使得這些電池與硅製成的電池具有可比性，就像太陽能電池板上的大多數電池一樣——儘管這種硅電池是商業化的，而不是實驗性的。然而，硅確實用了60年以上的時間，以達到他們現有的水平，而且硅電池可能已接近於最大的實際效率水平。因此，硅元素可能沒有更多的東西可以擠壓它了，而鈣鈦礦的效率可以走得更高。

鈣鈦礦的電池也可以便宜地從普通的化工品和金屬中獲得，而且它們可以被印在可彎曲的塑料薄膜上。相比之下，硅電池是剛性的。它們需要在高溫的過程中，由極純硅薄片製成。這種工廠的成本高昂。

與硅的競賽

從表面上看，鈣鈦礦應該已經在改變太陽能的業務了。但事情從來沒有這麼簡單。首先，就像許多新技術一樣，在實驗室的小規模工作和在工廠的工業規模之間是有區別的。學習如何製造東西需要一段時間。此外，鈣鈦礦的材料也不是沒有問題，特別是在高溫下有一些不穩定的傾向，容易受到濕氣的影響，這兩者都可能導致單元分解。這樣的特質不利於一種產品的成功，而這種產品在未來的二三十年的時間裡都是在戶外使用的。研究人員已經開始著手解決這些問題，必須製造出更加堅固和防水的鈣鈦礦。

但即使他們成功了，還有第三個因素需要考慮。這些新奇的電池將不得不面對一個現有的太陽能行業，這個行業在2017年投入1600億美元，並且大家都已熟悉硅的操作和處理方法。

因此，鈣鈦礦需要的是一項記錄，該記錄將為該行業提供使用它們的信心。為了做到這一點，牛津的光電公司和Saule公司都在與大公司合作，將新材料完全投入到市場中。

在牛津光電的案例中，那些已經成型的產品是現有的硅太陽能電池。這種所謂的串聯電池背後的想法是，兩種材料結合在一起可以吸收更多的光譜，並將其轉化為電能。通過調整鈣鈦礦到上一層，強烈吸收藍色一端光譜，並留下較低的硅層，以捕捉那些紅色末端傾斜的波長。牛津光電公司的老闆Frank Averdu-ng說，這組合面板提高了20-30%的效率。這種串聯的電池可以讓太陽能電池板製造商提供超越任何單硅元素電池板的性能。當然，這樣的太陽能板成本更高，但性能的提高並不會提高每瓦的成本，而且隨著時間的推移，它可能會降低成本。

牛津光電公司現在正在德國建造一條生產線，明年開始生產串聯電池，並將其描述為標準的工業流程。該工廠將被用於示範這項技術，然後將被許可給其他製造商。其中一些細節仍是保密的，因為該公司正在與一家大型但透露名稱的太陽能公司合作。

這種串聯的方式降低了鈣鈦礦進入市場的障礙，並有利於這種新材料展示出滿足不同行業標準的特性。然而，這種方式只是作為中轉站。最終，Averdung先生相信，鈣鈦礦將成為獨立的電池，而不僅僅是傳統的面板。因為它們是半透明的，鈣鈦礦薄膜也可以被用來將窗戶變成太陽能發電機。這樣通過捕獲部分照射進來的陽光，同時也允許其餘的光線通過。

與此同時，Saule正在使用噴墨列印技術在薄塑料板上生產自己的鈣鈦礦單元。

目前，它可以用A4大小(210mm×297mm)來完成，但它需要擴大生產過程達到面積為一平方米。Saule的面板效率為10%，還比不上太陽能電站的硅板。但該公司的聯合創始人阿圖爾?庫普切納斯(Artur Kupczunas)表示，10%的效率足以證明，將這些廉價、靈活和輕量級的鈣鈦礦薄板結合應用於建築物的外觀是合理的。這些產品成為建築物外觀的部件，正是索勒希望能實現的。

傳媒的力量

為了達到這一目的，Saule已經授權Skanska（歐洲最大的建築集團之一）將鈣鈦礦印刷的紙張納入其部分組件，例如用於製造外立面的材料。這會讓牆壁產生電，從而使建築降低碳排放量和更加自給自足。Skanska計劃今年晚些時候在一個辦公大樓(可能在波蘭)測試這種面板。

Kupczunas指出，由於這些面板將被添加到他們的底物外，所以不會增加安裝成本。他預計，隨著時間的推移，面板的效率會提高到26%，這是公司在實驗室條件下達到的。印刷工藝也使得為不同的應用場景生產不同尺寸的紙張變得容易。在低光條件下，它們應該比硅更好，這意味著它們在陰天會產生更多的電能。

因此，對硅太陽能電池來說，鈣鈦礦是它們最大的威脅。但這並不意味著鈣鈦礦會成功。無論是在這一領域，還是其他領域，歷史上，技術總是充斥著看起來不錯的想法(實際上，這些想法通常比現有的方案更有技術含量)，但卻被擱置一旁。當道者的地位不應被低估。在過去的十年里，硅基太陽能的價格顯著下降，特別是由於中國的巨額投資。

然而，正如劍橋大學(University of Cambridge)光學電子研究小組的負責人山姆?斯特拉克斯(Sam Stranks)所觀察到的，對可再生能源的需求是非常大的，因為生產產量在大幅增加。他認為，鈣鈦礦有機會分享這一需求，因為很便宜，而且鈣鈦礦技術將會提高可再生能源的效率，而硅是無法比擬的。

由於許多化學組合產生了鈣鈦礦晶體結構，而且它們各自具有不同的光學性質，所以選擇單元的化學性質也意味著選擇它吸收的光譜的哪一部分，就像牛津的光伏電池已經與它的串聯硅鈣鈦礦單元一樣。斯特拉克斯博士認為，當通過串聯的方式完全使用鈣鈦礦，硅可以適時地被去除掉，這可能會將效率提升到36%左右。如果真能實現這種情況，鈣鈦礦真的可能會把硅太陽能電池推向陰影。

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