近一年來，鈣鈦礦型電池已經(jīng)受到重量級期刊的廣泛報(bào)道，媒體轉(zhuǎn)載也是鋪天蓋地。長江后浪推前浪，09年橫空出世的年輕電池形態(tài)有沒有潛力把前輩們拍在沙灘上？
鑒于這個(gè)名詞容易引起誤解，先一起來看看廬山真面目–鈣鈦礦（Perovskite）泛指一類陶瓷氧化物，由于存在于礦石中的鈦酸鈣（CaTiO3）化合物最早被發(fā)現(xiàn)，因此而得名。后來鈣鈦礦成為固體物理里面對這一類晶格類型的稱呼，其分子通式為ABX3，A，B，X可以代表不同元素。從構(gòu)成來看，它們是一系列無機(jī)化合物。
而近來大熱的新型電池也被稱做鈣鈦礦型太陽能電池（Perovskite-Based Solar Cells），并不是因?yàn)椴捎昧松厦嫣岬降奶沾裳趸镒鳛椴牧希∏∠喾?，這類電池的活性材料是有機(jī)鉛碘化合物（甲胺鉛碘，化學(xué)式CH3NH3PbI3）。那為什么還以此命名呢？因?yàn)榧装枫U碘可以形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體，有機(jī)短鏈、鉛離子以及碘離子分別占據(jù)晶格的A、B、X位置，由此構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)。為了方便起見，大概就約定俗成為鈣鈦礦型（或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)）太陽能電池。
但是有的媒體報(bào)道的時(shí)候，因?yàn)椴涣私饩売?，直接說成鈣鈦礦太陽能電池，甚至引出鈦酸鈣（CaTiO3）來分析資源儲量，誤人不淺。退一萬步說，如果真用CaTiO3來做電池，它的能帶寬度對應(yīng)于387納米的光線，意味著不可能吸收利用任何可見光，所以當(dāng)做活性材料是沒有意義的，用做傳導(dǎo)材料倒是不無可能。鯨魚不是魚，龍貓不是貓，此鈣鈦礦并非彼鈣鈦礦，現(xiàn)在我們可以清楚的分辨這一點(diǎn)了。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池屬于哪個(gè)種類？
有機(jī)鉛碘化合物晶體具有獨(dú)特的光電性能，它的八面體體系有利于電子和空穴的傳輸，使得該類材料具有優(yōu)異的載流子傳輸特性。而且還有合適的能帶結(jié)構(gòu)，較好的光吸收性能，能夠吸收幾乎全部范圍的可見光用于光電轉(zhuǎn)換。以鈣鈦礦型鉛碘化合物為活性吸光材料的薄膜電池，普遍來說兩邊還分別需要電子傳輸層（一般為二氧化鈦TiO2）和空穴傳輸層來輔助導(dǎo)出電流。因此從結(jié)構(gòu)來看，個(gè)人覺得可把它歸為廣義敏化太陽能電池的一種。但是學(xué)術(shù)上對它的工作機(jī)理還存在敏化機(jī)制和異質(zhì)結(jié)機(jī)制的爭論。
鈣鈦礦型電池是在09年左右報(bào)道出現(xiàn)，屬于新生代“05后”。來看看“05后”新型電池的四大殺器：
1、效率值及其潛力
鈣鈦礦型電池在09年橫空出世之后，其光電轉(zhuǎn)化效率在近5年內(nèi)從3.8%迅速提高到15.6%，被SCIENCE評選為2013年十大科學(xué)突破之一。效率值高于非晶硅電池實(shí)驗(yàn)室值，更是甩開它的近親–染料敏化和有機(jī)太陽能電池幾條街的距離。最重要的是隨著電池工藝的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，暫時(shí)還看不到它效率值的天花板。
2、制備條件和成本
能源消耗和生產(chǎn)成本對當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤為重要，制備條件溫和、電池結(jié)構(gòu)較簡單是鉛碘化合物電池的優(yōu)點(diǎn)。制備方法有液相、氣相和氣-固沉積等，鉛碘化合物容易自組裝形成晶體，各層材料的制備溫度可以不超過150度，低溫意味著低能耗。另外每層都可做成平面型結(jié)構(gòu)（Planar Structure），可以避免制備特殊納米結(jié)構(gòu)的繁雜性和不確定性（有一篇NATURE作者特別指出，此類高效率電池并不需要納米結(jié)構(gòu)的材料），符合大量生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)要求。
3、建筑一體化潛力
在集中電站和屋頂發(fā)電之外，光伏的建筑一體化已經(jīng)是箭在弦上。鈣鈦礦型電池屬于薄膜電池，目前主要就是沉積在玻璃上，還可以通過控制各層材料的厚度和材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)不同程度的透明度，當(dāng)然也會降低效率值，不過對這類應(yīng)用是值得嘗試的。例如牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以做出半透光（灰褐色）的電池。如果這種將采光與發(fā)電融為一體的太陽能電池開發(fā)順利，有望成為高樓大廈幕墻裝飾、車輛有色玻璃貼膜等的替代品，這對于拓展太陽能電池的更廣泛應(yīng)用意義重大。
4、原料儲量和毒性
大家可能注意到材料里含有鉛，不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比就是小巫見大巫了，事實(shí)上固化封裝的各類太陽能電池都很安全，不會危害日常生活。再就是自然儲量夠不夠商業(yè)化生產(chǎn)？鉛早已經(jīng)在商業(yè)化產(chǎn)品中大量應(yīng)用了，這自然不會是問題。舉個(gè)栗子：假設(shè)將來鈣鈦礦型太陽能電池年產(chǎn)能達(dá)到不可能的1000GW（吉瓦，一吉瓦等于一百萬千瓦），那么需要的鉛也不到一萬噸，相比之下，鉛酸蓄電池每年消耗的鉛高達(dá)4百萬噸。而其他元素和材料也都比較常見，不會成為供應(yīng)鏈的短板。
說了半天，敢情這電池一點(diǎn)缺點(diǎn)沒有啊？當(dāng)然不是。目前主要有兩類問題：
一是普遍采用的空穴傳輸材料（Spiro-OMeTAD）較為昂貴，這提升了整個(gè)電池的成本。如果能避免使用這種材料將是最好的選擇，值得一提的中科院物理所孟慶波研究組通過界面調(diào)控和薄膜沉積優(yōu)化，在無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜電池研究方面取得了重要進(jìn)展，電池效率突破10%。
二是電池使用了部分有機(jī)材料，長期穩(wěn)定性自然也值得進(jìn)一步檢驗(yàn)。有關(guān)電池壽命的研究很少，目前僅有一個(gè)研究封裝的電池在45度下全負(fù)荷光照時(shí)的工作情況報(bào)道，結(jié)果表明500小時(shí)后電池的效率下降少于20%，這個(gè)結(jié)果應(yīng)該算不錯(cuò)了，穩(wěn)定性壓倒有機(jī)太陽能電池。畢竟鈣鈦礦型電池作為新興的電池形態(tài)，才發(fā)展了5年，可以預(yù)期這兩方面會有足夠改進(jìn)的空間，是騾子是馬大家拭目以待吧。
