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)學家列夫 · 佩羅夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名。
鈦酸鈣(CaTiO3)是原始礦物鈣鈦礦,有一個獨特的晶體構(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結(jié)構(gòu)中,你會使它變形。最終,你可能會導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),”麻省理工學院機械工程教授兼光伏研究實驗室主任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)?!?/span>
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)帶負電。通常情況下,A和B離子的大小相當不同,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,世界各地的實驗室正在進行繁瑣的工作,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。
許多團隊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像大海撈針,但最近研究人員想出了一個機器學習系統(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幾年,適合于一些對壽命不重要的應用。
Buonassisi說,從研究的角度來看,鈣鈦礦的一個優(yōu)點是它們在實驗室里相對容易制造--化學成分很容易組裝起來。但這也是它們的缺點:“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材料來封裝鈣鈦礦,保護它不暴露在空氣和水分中。但其他研究人員正在研究導致這種降解的確切機制,希望能找到本質(zhì)上更堅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歸咎于這種分解。
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,并開始進行失控反應。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研究,表明一旦鈣鈦礦達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)實現(xiàn)了與碲化鎘相當?shù)男?。碲化鎘存在的時間更長,但仍在努力實現(xiàn)這一水平。在這種新材料中達到這些更高的性能的容易程度幾乎令人目瞪口呆。比較為實現(xiàn)1%的效率改進所花費的研究時間,鈣鈦礦的進展比碲化鎘的進展快100到1000倍。這就是它如此令人興奮的原因之一?!?/span>