硅和碲化鎘是光伏領(lǐng)域的另外兩個主要“競爭者”，指的是特定的材料。另一方面，術(shù)語鈣鈦礦指的是整個化合物家族，此類氧化物最早被發(fā)現(xiàn)，是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣化合物。這種礦物于1839年被發(fā)現(xiàn)，并以俄羅斯地質(zhì)學(xué)家列夫 · 佩羅夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名。

【資料圖】

鈦酸鈣（CaTiO3）是原始礦物鈣鈦礦，有一個獨(dú)特的晶體構(gòu)造。它有一個三部分結(jié)構(gòu)，其組成部分已被標(biāo)記為A、B和X，其中不同成分的晶格是交錯的。鈣鈦礦家族由許多可能的元素或分子組合組成，這些元素或分子可以占據(jù)這三部分中的每一部分，并形成與原始鈣鈦礦本身類似的結(jié)構(gòu)。

“你可以將原子和分子混合并匹配到結(jié)構(gòu)中，但有一些限制。例如，如果你試圖把一個太大的分子塞進(jìn)結(jié)構(gòu)中，你會使它變形。最終，你可能會導(dǎo)致三維晶體分離成二維分層結(jié)構(gòu)，或完全失去有序的結(jié)構(gòu)，”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授兼光伏研究實(shí)驗(yàn)室主任Tonio Buonassisi說?！扳}鈦礦是高度可調(diào)控的，就像一種建造你自己的冒險類型的晶體結(jié)構(gòu)?！?/p>

這種交錯格子的結(jié)構(gòu)由離子或帶電分子組成，其中兩個（A和B）帶正電，另一個（X）帶負(fù)電。通常情況下，A和B離子的大小相當(dāng)不同，A離子更大。

在整個鈣鈦礦類別中，有許多類型，包括金屬氧化物鈣鈦礦，它們已在催化和能源儲存和轉(zhuǎn)換中找到應(yīng)用，如燃料電池和金屬空氣電池。但據(jù)Buonassisi說，十多年來，研究活動的一個主要焦點(diǎn)是鹵化鉛鈣鈦礦。

在這一類別中，仍有大量的可能性，世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行繁瑣的工作，試圖找到在效率、成本和耐用性方面表現(xiàn)最佳的變體--迄今為止，這是最具有挑戰(zhàn)性的三者。

許多團(tuán)隊(duì)還專注于消除鉛的使用的變化，以避免其對環(huán)境的影響。然而，Buonassisi指出，“隨著時間的推移，鉛基設(shè)備的性能不斷提高，而其他成分在電子性能方面都沒有接近?！碧剿魈娲返墓ぷ魅栽诶^續(xù)，但就目前而言，沒有一個能與鹵化鉛版本競爭。

Buonassisi說，鈣鈦礦提供的巨大優(yōu)勢之一是它們對結(jié)構(gòu)中的缺陷有很大的容忍度。與硅不同的是，硅需要極高的純度才能在電子設(shè)備中發(fā)揮良好的作用，而鈣鈦礦即使存在許多缺陷和雜質(zhì)也能正常工作。

為鈣鈦礦尋找有前景的新候選成分有點(diǎn)像大海撈針，但最近研究人員想出了一個機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可以大大簡化這一過程。作為該研究的共同作者之一Buonassisi說，這種新方法可能會導(dǎo)致新替代品的開發(fā)速度大大加快。

雖然鈣鈦礦繼續(xù)顯示出巨大的前景，而且一些公司已經(jīng)在準(zhǔn)備開始一些商業(yè)生產(chǎn)，但耐久性仍然是它們面臨的最大障礙。雖然硅太陽能電池板在25年后還能保持90%的電力輸出，但鈣鈦礦的降解速度要快得多。已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展--最初的樣品只持續(xù)了幾個小時，然后是幾周或幾個月，但較新的配方的可用壽命長達(dá)幾年，適合于一些對壽命不重要的應(yīng)用。

Buonassisi說，從研究的角度來看，鈣鈦礦的一個優(yōu)點(diǎn)是它們在實(shí)驗(yàn)室里相對容易制造--化學(xué)成分很容易組裝起來。但這也是它們的缺點(diǎn)：“這種材料在室溫下很容易組合在一起。但它在室溫下也很容易分離。來得容易，去得也容易！”

為了處理這個問題，大多數(shù)研究人員專注于使用各種保護(hù)材料來封裝鈣鈦礦，保護(hù)它不暴露在空氣和水分中。但其他研究人員正在研究導(dǎo)致這種降解的確切機(jī)制，希望能找到本質(zhì)上更堅(jiān)固的配方或處理方法。一個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，一個被稱為自催化的過程在很大程度上要?dú)w咎于這種分解。

在自催化過程中，一旦材料的一個部分開始降解，其反應(yīng)產(chǎn)物就會作為催化劑開始降解結(jié)構(gòu)的鄰近部分，并開始進(jìn)行失控反應(yīng)。在對其他一些電子材料的早期研究中也存在類似的問題，如有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），并最終通過對原材料增加額外的凈化步驟而得到解決，所以在鈣鈦礦的情況下可能會找到類似的解決方案，Buonassisi建議。

Buonassisi和他的合作研究人員最近完成了一項(xiàng)研究，表明一旦鈣鈦礦達(dá)到至少十年的可用壽命，由于其較低的初始成本，將足以使其在經(jīng)濟(jì)上可行，成為大型公用事業(yè)規(guī)模太陽能農(nóng)場的硅替代品。

他說，總體而言，鈣鈦礦的開發(fā)進(jìn)展令人印象深刻，令人鼓舞。他說：“通過短短幾年的工作，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與碲化鎘相當(dāng)?shù)男?。碲化鎘存在的時間更長，但仍在努力實(shí)現(xiàn)這一水平。在這種新材料中達(dá)到這些更高的性能的容易程度幾乎令人目瞪口呆。比較為實(shí)現(xiàn)1%的效率改進(jìn)所花費(fèi)的研究時間，鈣鈦礦的進(jìn)展比碲化鎘的進(jìn)展快100到1000倍。這就是它如此令人興奮的原因之一?！?/p>