太陽能若變得更便宜，鈣鈦礦改朝換代功不可沒

太陽能發電已逐漸改變世界各國的電力市場占比，而研究人員認為，未來太陽能將變得更高效、更便宜，關鍵材料就在於一種被稱為鈣鈦礦的晶體全面開發。 太陽能電池領域長江後浪推前浪，而鈣鈦礦電池目前被認為是繼傳統矽電池之後最有前途的接班人，自 2009 年首次報導曝光至今，短短數年就已被證明具有高達 22% 的轉換效率，幾乎與傳統矽電池旗鼓相當，而這位新人還有可觀的成長空間，但矽電池的效率已長時間停滯在 25% 左右。 迄今為止，鈣鈦礦的表現超越其他所有新型太陽能材料，比如染料敏化太陽能電池（DSSC）、有機太陽能電池等，其快速發展讓許多科學家對其持樂觀態度。 染料敏化太陽能電池是一種廉價的薄膜太陽能電池，基於由光敏電極和電解質構成的半導體，是一個電氣化學系統。它吸引人的優點是可用低廉材料製成，製程比以前的電晶體電池還要便宜，它可以被製成軟片，不需要特別保護，雖然能量轉換效率比最好的薄膜電池要低，但理論上它們的性價比已足夠高。 鈣鈦礦（Perovskite）則是一種氧化物礦物，一般化學式為 ABX3，最早被發現存在於鈣鈦礦石中的鈦酸鈣（CaTiO3）化合物而得名，具有立方晶體結構：A 和 B 是兩個大小不同的陽離子，X 則是與兩者結合的陰離子（通常是氧）。 ▲ 鈣鈦礦晶體結構圖。A 原子（綠球）是較大的金屬陽離子，比如 Ca 2 + ，位於立方體中心；B 原子（藍球）是較小的金屬陽離子，比如 Ti 4 + ，分布在立方體的 8 個角落；X 原子（紅球）通常則是氧。（Source：By Cadmium at English Wikipedia (Transferred from en.wikipedia to Commons.) [Public domain], via Wikimedia Commons） 隨著研究進展，科學家可以透過以其他元素代替鈣、鈦、氧來改善這種材料的物理化學性質，來產生在光伏方面的具體應用，目前研究最多的鈣鈦礦化合物為（CH3NH3）PbI3，在這種材料中，鈣離子，鈦離子和氧離子分別被甲基銨、鉛、碘離子取代。 但在鈣鈦礦材料可以商用之前，它還有些重大障礙需要突破：第一，鈣鈦礦晶體在潮濕條件下容易分解，若沒有適當隔絕水份的密封技術，電池就會在短時間內告終，這導致穩定性低；第二，科學家目前只在非常小的鈣鈦礦電池中實現高效率（大概只有一片指甲大小），放大版的鈣鈦礦電池還沒有出現相同效果。 鈣鈦礦電池現在還很難打敗矽晶電池，因為後者已發展出規模經濟。《Financial Times》報導，美國史丹佛大學材料科學與工程教授 Michael McGehee 最近提出了一項新的解決方案：「串聯」太陽能電池，藉由在傳統矽晶上層覆蓋鈣鈦礦，兩者互相合作，不要只聞新人笑，舊人仍有用武之地。 由於半透明的鈣鈦礦電池可以捕獲可見光譜中的波長，其他波長則穿過鈣鈦礦電池，交由下面的矽電池捕獲，McGehee 的研究表明，串聯電池的效率可比單打獨鬥的矽電池高出 10％，這可能是鈣鈦礦材料打入以矽為主導市場的另一種方式。 只要能克服穩定性和尺寸，鈣鈦礦太陽能電池就有可能改變太陽能源的經濟性，畢竟它們比矽電池還要便宜許多，鈣鈦礦晶體可在相對較低的溫度下生產，不像矽需要大量熱量製造晶片。