在延遲了 170 年之後，1839 年在俄羅斯烏拉爾山脈發現的一種奇怪的金屬外觀岩石，點燃了一場全球技術競賽，以開發更廉價、更高效的太陽能電池。它可能會嚴重顛覆目前由中國主導的世界太陽能市場。
對這種岩石特徵的研究使人們認識到，其中涉及的不是特定的礦物，而是一類具有立方體和類金剛石形狀的共同晶體結構的礦物。這種結構以俄羅斯礦物專家列夫·佩羅夫斯基的名字命名，他最早研究了這種結構。他於 1856 年去世。後來，研究人員發現，含有鈣鈦礦結構的礦藏在世界各地都很便宜且儲量豐富。
但科學家們不確定如何利用它們，直到 2009 年，一位日本研究人員發現鈣鈦礦可以吸收陽光並將其轉化為電能。它與製備的矽電池非常相似。只有鈣鈦礦電池選擇了更強的陽光光子，並且有望比矽電池便宜得多，矽電池的製造需要 14 個步驟，包括需要使用高溫、昂貴的自動化裝置和潔淨室的製備過程。
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材料和製造方面潛在的更低成本，催生了第一波商業鈣鈦礦企業，包括至少兩家正在美國成立的企業。 他們的目標是開發能夠挑戰中國在全球太陽能市場的主導地位，並幫助製造業在全球範圍內 распространиться 的產品。
“它的發展速度令人驚歎，”科羅拉多州博爾德市國家可再生能源實驗室的化學家和高階科學家馬修·比爾德說。該實驗室是全球至少 20 個正在研究鈣鈦礦的研究中心和大學之一。
他說，雖然實驗人員仍在努力解決鈣鈦礦太陽能電池的穩定性問題，到目前為止，這個問題導致鈣鈦礦太陽能電池的壽命比矽基太陽能電池短，但有一些方法可以克服這個問題。比爾德和其他 NREL 研究人員認為，這種新型晶體材料可能成為更具競爭力的美國工業以及隨之而來的就業機會的基礎。
目前，美國的太陽能產業——光伏 (PV) 電力的發明者——創造了 73,000 個美國就業崗位，據 NREL 稱，其招聘速度比美國經濟快 17 倍。
但是，經過六年為太陽能市場和產業提供慷慨政府補貼的金融衝刺，中國仍然遙遙領先。其矽基太陽能產品已經變得足夠便宜和可靠，以控制全球 70% 的太陽能元件貿易。與此同時，斯坦福大學的一項新研究 (Climatewire, 3 月 22 日，https://www.eenews.net/climatewire/stories/1060051841/) 顯示，美國約佔 1%。
該研究還指出，鈣鈦礦太陽能電池“在過去四年中引起了太陽能研究人員的極大興趣”，並且其將陽光能量轉化為電能的效率——基於實驗室實驗——在短短三年內從 15% 飆升至 22% 以上，達到與中國製造的元件具有競爭力的水平。
柯達的轉型
在接受 E&E 新聞採訪時，NREL 的比爾德表示，這場即將到來的市場洗牌的一個“關鍵因素”是“可能比矽更便宜”。他指出，另一個因素是，像他這樣的化學家看到了許多潛在的方法來調整鈣鈦礦電池以提高效率。
斯坦福大學和其他地方的研究人員正在開發的第三個新興因素是，使用鈣鈦礦電池與商業矽電池“串聯”工作，將它們結合在一起以快速提高其效率。
也許美國最具雄心的商業鈣鈦礦企業正在從柯達最初開發的機械裝置中發展壯大——用薄塗層塗覆照相膠片，這些塗層紡出了數英里的對光敏感的賽璐珞膠片。柯達率先在世界照相膠片市場佔據主導地位的高速“卷對卷”印刷技術，正被一家公司用於在塑膠薄膜上塗覆一層薄薄的鈣鈦礦基材料。
一旦他的公司在一個類似車庫的實驗室中確定鈣鈦礦基電池可以工作，能源材料公司總裁兼執行長斯蒂芬·德盧卡就將其設在紐約州羅切斯特市的伊士曼商業園，原柯達公園，初創公司正在那裡利用以前的柯達生產設施和建築物開發新產品。
柯達曾經在那裡僱傭了 15,000 人。德盧卡的公司可以使用其機器來開發製造最常見的太陽能產品——方形太陽能元件的製造工藝，這些元件安裝在住宅、商店和工業屋頂上。
正如德盧卡解釋的那樣，該機械裝置將加快製造用於將陽光轉化為電能的基本鈣鈦礦材料的過程。然後，它將被賦予玻璃保護罩並封裝起來，以防止水和其他物質。
“我想說的是，如果你正確地製造它們，它們是穩定的，”他說，並指出矽基太陽能元件也必須仔細製造和保護。“你必須關注與其他材料的相互作用。”
德盧卡說，據他所知，還沒有公司開始大規模商業化使用鈣鈦礦製造元件。“我們還沒有達到那個階段，但我們正在擴大規模。”
但他充滿希望，因為“你需要的裝置比矽需要的裝置便宜得多。這將使每瓦成本大大降低。”
德盧卡的公司與內布拉斯加大學機械與材料處理副教授黃勁松共同開發了該工藝。黃勁松領導著一個研究團隊，該團隊正在開發用於鈣鈦礦元件的低成本製造技術。
黃勁松獲得了能源部和國家科學基金會的資助，他解釋說，他的最終目標不是與矽元件競爭，而是製造一種足夠便宜的產品來與煤炭和天然氣等化石燃料競爭。
“矽太昂貴，無法與化石燃料和煤炭競爭，”他最近告訴內布拉斯加大學出版的Nebraska Today。“在太陽能電池能夠被廣泛採用之前，我們需要將成本降低一半，才能與其他能源競爭。”
黃勁松正在將其研究工作轉移到北卡羅來納大學，他估計，持續的開發可以將鈣鈦礦塗層薄膜的效率水平提高到 25%，“在三到五年內”。
鈣鈦礦新增到矽中
第二個美國商業企業是在去年夏天從斯坦福大學實驗室剝離出來的。它名為 Iris PV，其常務董事科林·貝利認為，他的公司可以透過將鈣鈦礦太陽能電池與標準矽電池相結合，更快地獲得更高的太陽能效率。串聯工作時，這兩個裝置可以從陽光中提取更多電力。澳大利亞一家實驗室最近宣佈，這種陣列的效率達到了 26.4%。
他解釋說，在七年內從低於 10% 躍升到這個效率水平，使鈣鈦礦成為歷史上改進最快的光伏技術。“它肯定非常接近最好的矽所能達到的水平，”貝利說，他正在開發一種商業模式，旨在將串聯元件作為通往更廉價太陽能的道路。
透過在他的實驗室中製造鈣鈦礦電池，他希望生產一系列較小的、利基產品，例如用於為衛星供電的串聯太陽能電池，以及響應美國軍方對戰場上更小、更輕的發電系統的需求。
如果這個專案成功，Iris PV 計劃透過購買目前安裝在屋頂上的廉價商業矽太陽能電池來重塑太陽能元件行業。該公司將透過插入第二層鈣鈦礦材料來完成元件的製造，這層薄塗層印刷在玻璃面板上，將作為串聯太陽能電池的外部封裝。貝利認為，這兩層協同工作將與商業市場上最高效的矽電池競爭，而成本僅為其一小部分。
最終產品，在一個小型、相對簡單的元件工廠進行包裝，該工廠位於元件安裝地點附近，這將是一個“雙贏”的主張。正如貝利解釋的那樣，它們將幫助太陽能元件製造商與化石燃料競爭，為面板安裝商提供更便宜的產品進行銷售，並幫助在美國和世界各地推廣不斷發展的太陽能產業。
“那是我們的長遠願景，”貝利說。
還有其他參與者也持有類似的鈣鈦礦驅動的全球太陽能電力業務願景。其中一家是牛津光伏有限公司，該公司是從英國牛津大學剝離出來的，最近與一家太陽能電池板製造商達成協議，在德國開設一家生產鈣鈦礦驅動太陽能電池板的商業設施。
該合資企業已吸引了挪威國家石油公司 Statoil ASA 子公司 Statoil Energy Ventures 的財務支援，Statoil ASA 是世界上最大的石油和天然氣生產商之一。
該子公司董事總經理加雷思·伯恩斯表示，該公司希望用“盈利的可再生能源”來補充其石油和天然氣投資組合。他在一份新聞宣告中將該合資企業描述為“一個很好的機會，可以參與一項有可能影響下一代太陽能電池的技術開發。”
經 E&E 新聞許可，轉載自 Climatewire。E&E 在 www.eenews.net 上提供每日重要的能源和環境新聞報道。