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近日，國際學術期刊《自然》刊登了我國科研團隊在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領域取得的重大突破。研究人員通過加快輻射復合速率，鈣鈦礦LED外量子效率突破30%大關，接近實現產業(yè)化水平。這一重大突破，進一步彰顯了基于鈣鈦礦LED顯示技術的巨大潛力，預示著該技術在高效綠色照明領域的廣泛應用前景。 今年2月，我國科研團隊研制的大面積全鈣鈦礦光伏組件取得新突破，經國際權威第三方機構測試，其穩(wěn)態(tài)光電轉化效率達24.5%，刷新大面積全鈣鈦礦光伏組件光電轉化效率世界紀錄。 近年來，鈣鈦礦屢屢在新聞中出現。作為一種新型材料，鈣鈦礦何以成為光伏產業(yè)冉冉升起的新星？它又會怎樣改變我們的生活？請看本期解讀。 下一代光伏技術的有力競爭者 鈣鈦礦的英文名為Perovskite。與一般的化合物不同，鈣鈦礦的英文名并沒有體現它本身的成分或結構，而是來自一個人。 1839年，在作為歐洲和亞洲分界線的烏拉爾山脈中，德國礦物學家古斯塔夫斯·羅斯發(fā)現了一種天然礦物。為向俄羅斯地質學家列夫·佩洛夫斯基（Lev Perovski）致敬，羅斯給這種礦物命名為Perovskite。 不知是歷史的巧合，還是時代的必然，鈣鈦礦被發(fā)現的同一年，19歲的法國青年亞歷山大·貝克雷爾在實驗中首次觀察到了光伏效應，揭開了將光能轉化為電能的序幕。這兩個看似毫不相關的發(fā)現，卻在未來共同推動了光伏產業(yè)革命性的發(fā)展。 其實，古斯塔夫斯·羅斯最初發(fā)現鈣鈦礦時，并沒有十分重視。這種情況在科學研究中并不少見，尤其是當一種新發(fā)現的礦物還沒有立即顯現出顯著的應用價值時。盡管羅斯并未立即意識到其潛力，他還是將樣品和研究成果分享給了同行。 事實上，直到鈣鈦礦被發(fā)現170年后，它才終于引起科學家們的重視。2009年，日本科學家宮坂力及其同事首次選用有機-無機雜化的鈣鈦礦材料，制備出全球第一個具有光電轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池器件。盡管初始效率僅有3.8%，但這一創(chuàng)舉無疑為鈣鈦礦材料的應用推開了一道塵封之門。 今天，鈣鈦礦已經有了180多年的歷史。而它也從單指由無機物鈦酸鈣（CaTiO3）組成的礦物，發(fā)展為泛指符合ABX3化學結構的任何材料。其中，A代表有機陽離子，B為鉛離子或亞錫離子，X為鹵素陰離子。這種結構賦予了鈣鈦礦材料高度的靈活性和獨特的光電特性。同時，憑借著低廉的成本和簡單的制取工藝，鈣鈦礦在科學界和工業(yè)界的重要地位逐漸確立，迅速引起了研究人員和企業(yè)的廣泛關注。 在光電探測、激光、LED等多個高科技領域，鈣鈦礦迅速展現出巨大的應用潛力。特別是在光伏產業(yè)中，鈣鈦礦太陽能電池憑借其高轉換效率和低生產成本，正在向傳統(tǒng)硅基太陽能電池發(fā)起挑戰(zhàn)，成為下一代光伏技術的有力競爭者。 新能源變革中的黑馬 在全球能源危機和環(huán)境保護需求的雙重壓力下，尋找高效、低成本、高環(huán)保的新能源技術成為了科學界的重要課題。傳統(tǒng)硅基太陽能電池雖然在光伏領域占據主導地位，但其高昂的制造成本和能耗較高的生產過程限制了其進一步普及。而在此背景下，鈣鈦礦太陽能電池憑借其獨特的材料優(yōu)勢，迅速成為光伏領域的新秀，受到廣泛關注。 然而，科研的道路總是充滿坎坷。穩(wěn)定性差、效率提升緩慢……在鈣鈦礦材料的研究初期，科研工作者面臨著重重困難。2011年，韓國成均館大學樸南圭課題組通過技術改進，才將轉化效率提高到6.5%，但材料的穩(wěn)定性問題仍未得到有效解決。直到2012年，樸南圭團隊首次報告了效率接近10%的全固態(tài)有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池，這被認為是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷程的一個里程碑。 2013年，《科學》雜志評選年度“世界十大科技突破”，鈣鈦礦太陽能電池名列其中，被稱為“最有前景的下一代光伏技術”。這也使得鈣鈦礦幾乎一夜之間成了行業(yè)關注的焦點。 在新能源產業(yè)變革的十字路口，鈣鈦礦以黑馬之姿異軍突起。短短10多年時間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從3.8%飆升至26%。而晶硅太陽能電池效率從最初的3%提升至26%，則花了將近80年時間。鈣鈦礦太陽能電池效率提升前所未有，這一躍進速度令業(yè)界震驚。 鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)勢不僅在于其高轉換效率，還在于其低成本的制造工藝。根據國際能源署（IEA）的數據，傳統(tǒng)硅基太陽能電池需要在高溫（約1500℃）和高純度的環(huán)境下生長出單晶硅，這不僅消耗大量能源，還導致成本居高不下。相比之下，鈣鈦礦太陽能電池則可以通過溶液法在常溫下制備，生產過程中溫度通常低于150℃，極大地降低了生產成本。研究表明，鈣鈦礦太陽能電池的制造成本可比傳統(tǒng)硅基電池低50%以上。此外，鈣鈦礦材料的可調性，使得它可以根據需要調整光電性能，這為太陽能電池的定制化生產提供了可能。 鈣鈦礦太陽能電池的研究，還推開了更多的“門”和“窗”，使得人們可以探索更廣泛的應用領域。例如，柔性鈣鈦礦太陽能電池、透明鈣鈦礦太陽能電池以及光伏建筑一體化系統(tǒng)（BIPV）等新型應用，均展現出廣闊的市場前景。 如今，鈣鈦礦產業(yè)化進程不斷加快，各大廠商爭相投資建設100MW級產線。今年，鈣鈦礦產業(yè)又將迎來許多個GW級產線落地。100MW產線，是光伏電池技術從0到1的重要一步，也是鈣鈦礦電池實現技術成熟度和商業(yè)化突破的關鍵。在跨越量產這道主要壁壘后，鈣鈦礦光伏技術正在打開實證應用的大門。 未來的璀璨之星 如今，屬于鈣鈦礦的“高光時刻”正在來臨。 光伏領域，鈣鈦礦太陽能電池正在逐步成為傳統(tǒng)硅基太陽能電池的有力競爭者。鈣鈦礦太陽能電池可以應用于構建集成光伏、便攜式產品、可穿戴電子產品和近空間應用等，也可以集成到物聯網系統(tǒng)中包括無線傳感器、智能家居設備等各種設備和應用。2022年7月，杭州一家科技公司在中國浙江省安裝并運行了100kW的鈣鈦礦光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)是第一個報道100千瓦規(guī)模的并網鈣鈦礦光伏系統(tǒng)。 顯示領域，鈣鈦礦材料以其高發(fā)光效率和可調節(jié)的顏色輸出，迅速應用于LED和顯示器。鈣鈦礦LED已成為下一代顯示技術的熱門候選者。近年來，紅光、綠光鈣鈦礦LED器件外量子效率屢創(chuàng)新高，而藍光鈣鈦礦LED器件發(fā)展則較為緩慢。今年初，中國科學技術大學研究團隊通過創(chuàng)新策略提高了藍光鈣鈦礦LED的性能，顯著提升了其穩(wěn)定性和發(fā)光效率。這一進展為未來藍光鈣鈦礦LED的廣泛應用奠定了基礎，也標志著鈣鈦礦LED技術領域取得了顯著的進步。雖然目前鈣鈦礦LED距離商業(yè)化還有一段距離，但它的前景已可以預見。高效能的鈣鈦礦LED不僅能讓屏幕更亮、顏色更真實，其續(xù)航也能更強。此外，高亮度、低能耗的光源對于精密手術、生物檢測等具有重要意義。甚至在航空航天時，鈣鈦礦LED都有可能發(fā)揮重要作用。 鈣鈦礦材料因其獨特的電磁性質和氧化還原活性，還可以被用于催化劑。鈣鈦礦復合氧化物作為極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦痛呋瘎�，被廣泛應用于汽車尾氣凈化、化工生產、有機物合成等多個領域。鈣鈦礦復合氧化物催化劑還能高效催化二氧化碳還原和甲烷活化，將它們轉化為高附加值的化學品和燃料。因此，這一技術被認為是解決全球氣候變暖問題的理想方案。 未來，隨著科研的深入和技術的創(chuàng)新，鈣鈦礦材料有望突破現有的瓶頸，借助其可調性和低成本制造工藝，實現大規(guī)模商業(yè)化生產，為全球能源轉型和環(huán)境保護貢獻重要力量。  上圖：一家科技公司智能生產車間，鈣鈦礦光伏組件正在自動化生產線上進行激光劃刻工藝。新華社發(fā) |
