近日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》刊登了我國科研團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領(lǐng)域取得的重大突破。研究人員通過加快輻射復(fù)合速率，鈣鈦礦LED外量子效率突破30%大關(guān)，接近實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化水平。這一重大突破，進(jìn)一步彰顯了基于鈣鈦礦LED顯示技術(shù)的巨大潛力，預(yù)示著該技術(shù)在高效綠色照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

今年2月，我國科研團(tuán)隊(duì)研制的大面積全鈣鈦礦光伏組件取得新突破，經(jīng)國際權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)測(cè)試，其穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)24.5%，刷新大面積全鈣鈦礦光伏組件光電轉(zhuǎn)化效率世界紀(jì)錄。

近年來，鈣鈦礦屢屢在新聞中出現(xiàn)。作為一種新型材料，鈣鈦礦何以成為光伏產(chǎn)業(yè)冉冉升起的新星？它又會(huì)怎樣改變我們的生活？請(qǐng)看本期解讀。

下一代光伏技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)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(xiàn)它本身的成分或結(jié)構(gòu)，而是來自一個(gè)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(xué)家古斯塔夫斯·羅斯發(fā)現(xiàn)了一種天然礦物。為向俄羅斯地質(zhì)學(xué)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(shí)代的必然，鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)的同一年，19歲的法國青年亞歷山大·貝克雷爾在實(shí)驗(yàn)中首次觀察到了光伏效應(yīng)，揭開了將光能轉(zhuǎn)化為電能的序幕。這兩個(gè)看似毫不相關(guān)的發(fā)現(xiàn)，卻在未來共同推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)革命性的發(fā)展。

其實(shí)，古斯塔夫斯·羅斯最初發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦時(shí)，并沒有十分重視。這種情況在科學(xué)研究中并不少見，尤其是當(dāng)一種新發(fā)現(xiàn)的礦物還沒有立即顯現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價(jià)值時(shí)。盡管羅斯并未立即意識(shí)到其潛力，他還是將樣品和研究成果分享給了同行。

事實(shí)上，直到鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)170年后，它才終于引起科學(xué)家們的重視。2009年，日本科學(xué)家宮坂力及其同事首次選用有機(jī)-無機(jī)雜化的鈣鈦礦材料，制備出全球第一個(gè)具有光電轉(zhuǎn)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(yīng)用推開了一道塵封之門。

今天，鈣鈦礦已經(jīng)有了180多年的歷史。而它也從單指由無機(jī)物鈦酸鈣（CaTiO3）組成的礦物，發(fā)展為泛指符合ABX3化學(xué)結(jié)構(gòu)的任何材料。其中，A代表有機(jī)陽離子，B為鉛離子或亞錫離子，X為鹵素陰離子。這種結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料高度的靈活性和獨(dú)特的光電特性。同時(shí)，憑借著低廉的成本和簡(jiǎn)單的制取工藝，鈣鈦礦在科學(xué)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(guān)注。

在光電探測(cè)、激光、LED等多個(gè)高科技領(lǐng)域，鈣鈦礦迅速展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。特別是在光伏產(chǎn)業(yè)中，鈣鈦礦太陽能電池憑借其高轉(zhuǎn)換效率和低生產(chǎn)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(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

新能源變革中的黑馬

在全球能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)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(shù)成為了科學(xué)界的重要課題。傳統(tǒng)硅基太陽能電池雖然在光伏領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但其高昂的制造成本和能耗較高的生產(chǎn)過程限制了其進(jìn)一步普及。而在此背景下，鈣鈦礦太陽能電池憑借其獨(dú)特的材料優(yōu)勢(shì)，迅速成為光伏領(lǐng)域的新秀，受到廣泛關(guān)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(xué)樸南圭課題組通過技術(shù)改進(jìn)，才將轉(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)首次報(bào)告了效率接近10%的全固態(tài)有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池，這被認(rèn)為是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷程的一個(gè)里程碑。

2013年，《科學(xué)》雜志評(píng)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(shù)”。這也使得鈣鈦礦幾乎一夜之間成了行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

在新能源產(chǎn)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(shí)間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)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(shí)間。鈣鈦礦太陽能電池效率提升前所未有，這一躍進(jìn)速度令業(yè)界震驚。
鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)勢(shì)不僅在于其高轉(zhuǎn)換效率，還在于其低成本的制造工藝。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，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(zhǎng)出單晶硅，這不僅消耗大量能源，還導(dǎo)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(chǎn)過程中溫度通常低于150℃，極大地降低了生產(chǎn)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(diào)性，使得它可以根據(jù)需要調(diào)整光電性能，這為太陽能電池的定制化生產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用，均展現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)前景。

如今，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快，各大廠商爭(zhēng)相投資建設(shè)100MW級(jí)產(chǎn)線。今年，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)又將迎來許多個(gè)GW級(jí)產(chǎn)線落地。100MW產(chǎn)線，是光伏電池技術(shù)從0到1的重要一步，也是鈣鈦礦電池實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟度和商業(yè)化突破的關(guān)鍵。在跨越量產(chǎn)這道主要壁壘后，鈣鈦礦光伏技術(shù)正在打開實(shí)證應(yīng)用的大門。

未來的璀璨之星

如今，屬于鈣鈦礦的“高光時(shí)刻”正在來臨。

光伏領(lǐng)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(jìng)爭(zhēng)者。鈣鈦礦太陽能電池可以應(yīng)用于構(gòu)建集成光伏、便攜式產(chǎn)品、可穿戴電子產(chǎn)品和近空間應(yīng)用等，也可以集成到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中包括無線傳感器、智能家居設(shè)備等各種設(shè)備和應(yīng)用。2022年7月，杭州一家科技公司在中國浙江省安裝并運(yùn)行了100kW的鈣鈦礦光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)是第一個(gè)報(bào)道100千瓦規(guī)模的并網(wǎng)鈣鈦礦光伏系統(tǒng)。

顯示領(lǐng)域，鈣鈦礦材料以其高發(fā)光效率和可調(diào)節(jié)的顏色輸出，迅速應(yīng)用于LED和顯示器。鈣鈦礦LED已成為下一代顯示技術(shù)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(lán)光鈣鈦礦LED器件發(fā)展則較為緩慢。今年初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新策略提高了藍(lán)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(jìn)展為未來藍(lán)光鈣鈦礦LED的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也標(biāo)志著鈣鈦礦LED技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)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(yù)見。高效能的鈣鈦礦LED不僅能讓屏幕更亮、顏色更真實(shí)，其續(xù)航也能更強(qiáng)。此外，高亮度、低能耗的光源對(duì)于精密手術(shù)、生物檢測(cè)等具有重要意義。甚至在航空航天時(shí)，鈣鈦礦LED都有可能發(fā)揮重要作用。

鈣鈦礦材料因其獨(dú)特的電磁性質(zhì)和氧化還原活性，還可以被用于催化劑。鈣鈦礦復(fù)合氧化物作為極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦痛呋瘎�，被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化、化工生產(chǎn)、有機(jī)物合成等多個(gè)領(lǐng)域。鈣鈦礦復(fù)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(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品和燃料。因此，這一技術(shù)被認(rèn)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(shù)的創(chuàng)新，鈣鈦礦材料有望突破現(xiàn)有的瓶頸，借助其可調(diào)性和低成本制造工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，為全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)重要力量。

作者：陳志豪 　逯心一　 王 戀 來源：解放軍報(bào) 責(zé)任編輯：jianping