當時還是研究生的邁克爾·李坐在日本一家昏暗的酒吧裡，夜幕降臨時，他在啤酒墊上匆匆寫下了一系列化學成分，生怕忘記。當天早些時候，橫濱桐蔭大學的科學家慷慨地分享了他們利用一種名為鈣鈦礦的新材料而非通常的矽製造太陽能電池的突破性配方。這些電池的光電轉換效率僅為3.8%，因此並未引起世界的注意。但李受到了啟發。在2011年的實況調查任務之後，他回到了牛津大學克拉倫登實驗室，當時我們三人都曾在那裡工作，並對配方進行了一系列調整。這些改變產生了首個效率超過10%的鈣鈦礦電池。他的發明引發了清潔能源領域的淘金熱，世界各地的研究人員競相將鈣鈦礦電池的效率推向更高水平。
韓國化學技術研究院在2014年11月創下的最新紀錄為20.1%，標誌著效率在短短三年內提高了五倍。相比之下，經過數十年的發展，最先進的矽太陽能電池的效率已穩定在約25%，而鈣鈦礦研究人員（包括我們）已將這一目標牢牢鎖定在視野中。我們也在期待商業首秀，或許是透過一家衍生公司，例如我們其中一人（Snaith）共同創立的牛津光伏公司。
鈣鈦礦之所以誘人，有幾個原因。其成分豐富，研究人員可以在低溫下輕鬆廉價地將它們組合成薄膜，這些薄膜具有高度結晶的結構，類似於矽晶圓經過昂貴的高溫處理後所獲得的結構。薄而柔韌的鈣鈦礦薄膜卷材，而不是像矽晶圓那樣厚而硬的，有朝一日可以從特殊的印表機上快速卷出，以製造輕便、可彎曲甚至色彩鮮豔的太陽能板和塗層。
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儘管如此，為了挑戰矽的主導地位，鈣鈦礦電池必須克服一些重大障礙。今天的原型只有指甲蓋大小；如果這項技術要與矽面板競爭，研究人員必須找到方法將其做得更大。他們還必須大大提高電池的安全性和長期穩定性——這是一場艱苦的戰鬥。
贏得效率競賽
如今，最好的矽電池效率為25.6%。為什麼太陽能電池不能將100%的太陽光能轉化為電能？為什麼鈣鈦礦能夠超越矽的紀錄？
這些問題的答案可以在易激發和漂移的電子中找到。當太陽能電池處於黑暗中時，材料中的電子會與各自的原子保持結合。沒有電流流動。但是，當陽光照射到電池時，它可以釋放出一些電子。注入能量後，“受激”電子會在電池的晶格中醉醺醺地亂竄，直到它們要麼從電池的一端逸出——被電極帶走作為有用電流——要麼撞到障礙物或陷阱，以廢熱的形式損失能量。
晶體質量越高，缺陷就越少，從而減少電子旅程的障礙。矽電池通常被加熱到高達900攝氏度以去除缺陷。鈣鈦礦即使在較低的溫度（約100攝氏度）下加工，也基本上沒有此類缺陷。因此，被光激發的電子同樣能夠成功地從鈣鈦礦電池中逸出，並且在與障礙物碰撞時，它們不太可能損失那麼多能量。由於電池的電功率是逸出電池的電子流（電流）和這些電子攜帶的能量（電壓）的乘積，因此鈣鈦礦的效率可以與矽相媲美，而且加工工作量要少得多。
但是，由半導體（如矽和鈣鈦礦）製成的太陽能電池可以將多少太陽光能轉化為電能存在上限。這主要是因為半導體的一種稱為帶隙的特性——釋放電子所需的最低能量水平。陽光包含所有波長的光，但只有某些波長的能量超過帶隙。其他波長的光將簡單地穿過材料，不起任何作用。
帶隙對於不同的半導體是不同的，它建立了一個基本的權衡：帶隙越低，電池可以吸收的太陽光譜就越多，從而激發電子，但每個電子將擁有的能量就越低。由於電功率取決於電子的數量和能量，即使是具有理想帶隙的電池也只能轉換約33%的太陽能。
矽具有固定的非理想帶隙，但它在太陽能行業中佔據主導地位，因為製造該技術的有效方法已被充分理解。然而，在製造鈣鈦礦時，研究人員可以透過調整成分的混合來隨意調整帶隙，這提高了超越矽效率的可能性。研究人員還可以將具有不同帶隙的不同鈣鈦礦層疊在一起。雙層鈣鈦礦應該能夠突破名義上的33%上限；一些預測表明，它們可以將46%的太陽能轉化為有效功。
老材料的新用途
自19世紀以來，礦物學家就已瞭解地球地殼中鈣鈦礦的天然形式。當科學家們認為它們可以形成高溫超導體時（一些工作至今仍在繼續），這些晶體曾榮登1988年本雜誌的封面。在過去的二十年中，工程師們還使用人造鈣鈦礦製造了實驗電子器件，但他們忽略了該材料在太陽能電池中的潛在用途。
最終，在2009年，桐蔭大學的一個小組將人造版本——1978年首次合成的鹵化鉛鈣鈦礦——製成了太陽能電池。研究人員將選定的化學物質溶解在溶液中，然後在玻璃載玻片上旋塗並乾燥該溶液。乾燥後，在載玻片頂部留下奈米級鈣鈦礦晶體薄膜，非常像鹽晶體從蒸發的潮汐池中析出一樣。當這種薄膜吸收陽光時會產生電子，但效果不是很好。研究人員在鈣鈦礦奈米晶體的兩側添加了薄薄的材料層，以幫助它們將電子轉移到外部電路，從而提供有用的電力。
第一批微型電池的效率僅為3.8%，而且非常不穩定，在幾小時內就會退化。李改變了鈣鈦礦的成分，並更換了電池中一個有問題的層，將效率提高到10%以上。由瑞士洛桑聯邦理工學院的邁克爾·格雷策爾和韓國成均館大學的樸南圭共同領導的另一組研究人員也取得了類似的進展。
最近效率達到20%的進步是由一些巧妙的創新推動的。建立無缺陷的晶體薄膜需要棘手的沉積方法，因此由韓國化學技術研究院的Seok Sang Il領導的一個小組設計了一個多步工藝，該工藝迫使更有序的晶體薄膜從旋轉溶液中析出。透過最佳化工藝，Seok在2014年連續三次重新整理效率記錄，從16.2%提高到20.1%。
其他科學家簡化了新增材料的層疊；最新的鈣鈦礦電池看起來更像矽電池——一個簡單的扁平層堆疊。在矽的情況下，這種設計使低成本大規模生產成為可能。最近，鈣鈦礦研究人員還加熱了溶液和沉積溶液的玻璃載玻片，從而獲得了比最初電池中的晶體大幾個數量級的晶體，這是一個令人鼓舞的跡象，表明結晶度仍在提高。
科學家們也在設計一些新穎的特性。改變化學物質的比例可以製造出具有柔和黃色或緋紅色調的電池。將鈣鈦礦以島狀而不是一層薄膜的形式沉積在玻璃上，可以製造出不透明、透明或介於兩者之間的薄膜。這些選擇——相對於僵硬、不透明、藍黑色的矽電池而言，令人耳目一新的選擇——可以幫助建築師設計天窗、窗戶和建築立面，這些立面可以結合彩色鈣鈦礦太陽能薄膜。想象一下一座摩天大樓，其鈣鈦礦著色的窗戶可以遮擋炎熱的陽光進入室內，同時將其轉化為電能，從而降低製冷費用並提供電力。
商業化的漫長道路
鈣鈦礦要實現這些願景還有很長的路要走。儘管韓國和澳大利亞的研究人員最近展示了10釐米×10釐米的可印刷電池——尺寸足夠用於商業上具有競爭力的產品——但效率最高的電池仍然是小型原型。隨著實驗室和初創公司擴大裝置規模，他們必須完成商業化的三個先決條件：確保電池足夠穩定，能夠發電數十年；設計一種客戶認為可以安全地放置在他們的房屋和建築物中的產品；並讓批評者相信鈣鈦礦效率水平的主張並非誇大其詞。
鈣鈦礦太陽能電池的穩定性可以說是其致命弱點。鈣鈦礦對水分敏感，因此很容易快速降解，因此必須將其封裝在防水密封中。我們製造並在惰性氣氛中封裝在環氧樹脂中的電池在持續暴露於光照下已穩定執行超過1000小時。華中科技大學的研究人員與格雷策爾合作，甚至在沒有封裝的情況下也達到了1000小時，並且在最近發表的研究工作中，他們還在沙烏地阿拉伯戶外部署了測試面板，以表明他們的設計將在實際條件下發揮作用。在最近於舊金山舉行的材料研究學會會議上，我們披露了牛津光伏公司的結果，表明鈣鈦礦電池在充足的陽光下可以產生超過2000小時的穩定功率輸出。
然而，太陽能電池板的行業慣例是25年保修。這相當於在恆定強光照射下約54000小時。找到一種在較寬溫度範圍內長期有效的有效防潮層至關重要。矽製造商透過將電池層壓在玻璃板之間來解決這個問題。這非常適合大型地面安裝。但是，由於鈣鈦礦電池可以製成比玻璃上的電池更輕、更柔韌的薄膜，因此替代封裝策略可能會開闢更廣泛的應用，例如可以發電的牆壁或窗戶的飾面。
幸運的是，一些公司在嘗試商業化其他柔性太陽能材料（例如由銅銦鎵硒製成的半導體）方面取得了一些進展。封裝技術執行良好，但由於電池效率較低且成本較高，企業一直在努力從矽手中奪取市場份額。鈣鈦礦應該具有更高的效率和更低的加工成本，或許能夠利用封裝技術的進步。
與密封防潮同樣重要的是密封住電池的內容物，因為鈣鈦礦配方中添加了少量鉛。鉛有毒，因此市場將要求提供高度的證據來證明鈣鈦礦發電是安全的。為了獲得啟發，研究人員可以再次借鑑另一種替代太陽能材料，即除矽之外唯一取得重大商業成功的材料：碲化鎘。
第一太陽能公司生產的碲化鎘面板已在全球部署，並且儘管存在比鉛毒性更大的元素：鎘，但仍超過了安全標準。第一太陽能公司已使社群確信，其面板密封性非常好，即使在1000攝氏度的沙漠野火中，鎘也不會逸出。然而，面板使用玻璃基板，這排除了鈣鈦礦所承諾的柔韌性和更輕的重量。然而，鈣鈦礦公司可以借鑑第一太陽能公司在密封和嚴格測試產品方面的成功經驗。
最近麻省理工學院的一項關於鉛的令人鼓舞的進展也出現了：安吉拉·貝爾徹和她的同事證明，鉛酸汽車電池可以安全回收，回收的鉛可用於製造鈣鈦礦電池。這一結果可能對環境有利。貝爾徹估計，一塊汽車電池中的鉛可以生產約700平方米的鈣鈦礦電池，以20%的效率計算，這足以在溫暖但陽光充足的氣候（如拉斯維加斯）為30棟房屋供電。
另一種不同的途徑是完全消除鉛。我們的小組和西北大學的另一個小組都發表了關於使用錫代替鉛的電池的初步報告。然而，效率和穩定性較差，因為錫往往會導致鈣鈦礦隨著時間的推移而失去其晶體結構，從而阻礙電子逸出電池的能力。錫要達到鉛的長期效能，還需要取得重大進展。
除了此處列出的問題外，研究人員還必須解決一個較小但更奇怪的問題。批評人士聲稱，鈣鈦礦電池的效率資料可能被誇大了，因為存在滯後現象——測量中的抖動，這可能是由帶電分子從電池一側遷移到另一側引起的，這可能會造成電流更大的假象。然而，這種離子遷移非常短暫。科學家們正在尋找阻止它的方法，但在短期內，有一個簡單的補救措施：等待遷移結束，並在更長的時間內測量效率。在大多數情況下，此過程產生的效率讀數與快速的初始測量值相似，但研究人員可能會傾向於報告較高的讀數。我們正在與世界各地的研究人員合作，以標準化測量過程，以便我們的結果符合高標準的審查。
最後，為了在商業上取得成功，鈣鈦礦創新者需要提供引人注目的經濟敘事，以吸引擴大生產所需的投資資金。儘管鈣鈦礦的材料豐富，並且可以在低溫下將電池加工成卷出廉價裝置的薄膜，但鈣鈦礦太陽能公司不應落入與矽競爭的陷阱。幾乎沒有降低矽面板價格的空間，因為安裝成本的大部分與面板無關，而是與所謂的“系統平衡”有關，其中包括安裝材料和人工、許可證和檢查以及與系統安裝相關的其他費用。2014年美國住宅太陽能安裝的平均價格為每瓦發電能力3.48美元，但實際太陽能電池板的成本僅為每瓦72美分。即使鈣鈦礦面板達到研究人員認為可能的每瓦10至20美分的極低價格，這種改進也只會使最終安裝價格降低很小的百分比。
然而，鈣鈦礦公司可以透過設計效率超過矽的產品來利用這些微小的節省。高效的鈣鈦礦太陽能電池板透過減少所需的土地或屋頂空間，從而減少人工和裝置，來降低每瓦的總安裝成本。一個更具想象力的改變規則的例子是銷售鈣鈦礦產品，用於矽無法競爭的應用，例如可以整合到牆壁、屋頂和窗戶等建築材料中的薄膜。
混合解決方案
目前，鈣鈦礦最有機會進入市場的方式可能是作為矽的盟友而不是競爭對手。鈣鈦礦可以真正地搭上矽成功的順風車，進入一個價值500億美元的市場。
透過在矽層頂部新增鈣鈦礦層，建立“串聯”太陽能電池，就可以實現聯盟。鈣鈦礦擅長利用太陽光中能量較高的顏色，如藍色和紫外線，而矽無法捕捉這些顏色，從而在電子中產生更高的電壓。斯坦福大學和麻省理工學院的研究人員最近在一個密封的矽電池頂部堆疊了一個鈣鈦礦電池，將效率從矽電池原來的11%提高到17%。他們還透過將鈣鈦礦層疊在未密封的矽上，組裝了一個串聯電池，形成了一個單一結構。這種組合僅實現了14%的效率，但隨著製造工藝的改進，這個數字肯定會上升。根據這兩項實驗，研究人員勾勒出一個情景，即使用最先進的矽元件和最先進的鈣鈦礦器件製成的串聯電池，透過巧妙的工程組合，可以在不 радикально 改變任何一項技術的情況下，將效率提高到30%以上。
如果串聯太陽能電池板能夠達到30%的效率，那麼對系統平衡成本的影響可能是巨大的：生產與效率為20%的面板相同數量的電力，只需要三分之二數量的面板，從而大大減少了屋頂空間或土地、安裝材料、人工和裝置。Snaith的衍生公司牛津光伏公司正在與傳統的矽製造商合作，透過在矽電池上覆蓋鈣鈦礦塗層來提高矽的效率；該公司今年的目標是串聯電池的原型。從長遠來看，整合到屋頂或玻璃材料中的廉價太陽能塗層可能會徹底改變太陽能建築的整個成本結構。
反向執行
鈣鈦礦太陽能電池的快速崛起激發了科學家和工程師製造其他型別的原型產品，這些產品也可能有一天推向市場。我們與劍橋大學的同事合作，最近使用金屬鹵化物鈣鈦礦製造了發光二極體（LED）和雷射器，這些器件透過一種稱為發光的過程有效地發光（而不是吸收光）。
這種轉變並不令人意外；當反向執行時，世界上效率最高的太陽能電池砷化鎵可以充當LED。廉價、可印刷的LED和雷射器可能會帶來有趣的應用，從大規模照明到醫學成像。
當然，對這些新型產品的研究還處於早期階段，但我們認為這項工作將會變得更加流行。鈣鈦礦讓科學家感覺自己像置身於糖果店的孩子；我們發現了一種材料，其特性幾乎滿足了我們願望清單上的所有要求，包括高效率、低成本、輕便、柔韌性和美觀性。學術界、工業界和政府需要共同努力，在全球範圍內協調一致，才能充分發揮鈣鈦礦超越矽時代的潛力。但考慮到回報——廉價、清潔的能源和下一代電子產品——我們認為鈣鈦礦是一個不錯的賭注。