提起鈣鈦礦電池，知道的人并不多；說(shuō)起晶硅太陽(yáng)能電池，早已家喻戶(hù)曉。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池就是科學(xué)家們光伏電池研究的新嘗試。在近期舉行的MRS（美國(guó)材料科學(xué)研究學(xué)會(huì)）國(guó)際大會(huì)上，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池即將取代硅基太陽(yáng)能電池統(tǒng)治地位的觀點(diǎn)為大家所公認(rèn)。其中在硅和其它光電材料上沉積鈣鈦礦層的方法再次獲得轉(zhuǎn)化效率的新突破，能阻礙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化的主要問(wèn)題就是穩(wěn)定性的提高，科學(xué)家們也正在全力以赴的尋找解決方法。

鈣鈦礦材料是一類(lèi)有著與鈦酸鈣（CaTiO3）相同晶體結(jié)構(gòu)的材料，是 Gustav Rose 在 1839年發(fā)現(xiàn)，后來(lái)由俄羅斯礦物學(xué)家L. A. Perovski命名。鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)式一般為ABX3，其中A和B是兩種陽(yáng)離子，X是陰離子。這種奇特的晶體結(jié)構(gòu)讓它具備了很多獨(dú)特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學(xué)、物理領(lǐng)域有不小的應(yīng)用。鈣鈦礦大家族里現(xiàn)已包括了數(shù)百種物質(zhì)，從導(dǎo)體、半導(dǎo)體到絕緣體，范圍極為廣泛，其中很多是人工合成的。太陽(yáng)能電池中用到的鈣鈦礦（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）屬于半導(dǎo)體，有良好的吸光性。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其所需的原材料儲(chǔ)量豐富，制備工藝簡(jiǎn)單且可以采用低溫、低成本的工藝實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的薄膜而擁有誘人的前景。這些有著高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)的薄膜甚至可以與在高溫下以高成本獲得的硅片的晶體質(zhì)量媲美，實(shí)現(xiàn)柔性化和“卷對(duì)卷”式的規(guī)模化生產(chǎn)。為了挑戰(zhàn)硅在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，制備鈣鈦礦電池還需要解決一些關(guān)鍵問(wèn)題。目前，實(shí)驗(yàn)室中的電池樣品只有指甲蓋大小，其安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性也有待大幅提升——對(duì)于研究人員而言，這將是一場(chǎng)艱苦的戰(zhàn)斗。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種由有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料組合成的一種新型太陽(yáng)能電池，和單晶硅／多晶硅／薄膜太陽(yáng)能電池一樣，都是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。和其他種類(lèi)的太陽(yáng)能電池相比，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本低、制造便宜、具有柔韌性。2009年，日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力教授將碘化鉛甲胺和溴化鉛甲胺應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，獲得了最高3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率，此為鈣鈦礦光伏技術(shù)的起點(diǎn)。此后，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配套材料等持續(xù)進(jìn)步，在短短7年間效率就提高到了22.1%。

在光伏技術(shù)領(lǐng)域，如此迅速的技術(shù)飛躍是從來(lái)沒(méi)有過(guò)的。以主流的多晶硅技術(shù)為例，1985年，多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室效率是15%左右，到2004年增 長(zhǎng)到20.4%，20年時(shí)間只增長(zhǎng)了5個(gè)百分點(diǎn)；2004年到2015年，11年間只增長(zhǎng)到20.6%，幾乎沒(méi)有任何進(jìn)步。如圖3所示，鈣鈦礦光伏技術(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)異軍突起，迅速實(shí)現(xiàn)了對(duì)多晶硅技術(shù)的反超。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)顯著高于多晶硅，而且它的上升勢(shì)頭遠(yuǎn)未停止，在短時(shí)間內(nèi)超過(guò)25% 看來(lái)絕非難事。那么為什么研究人員認(rèn)為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池將有望超過(guò)硅所創(chuàng)下的效率記錄？

答案的關(guān)鍵就在材料內(nèi)部可激發(fā)的電子和可自由移動(dòng)的電子中。當(dāng)陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池時(shí)，一些電子會(huì)吸收能量而脫離原子束縛。充滿(mǎn)能量的受激電子會(huì)穿過(guò)材料中的晶格向一邊移動(dòng)，或從電池的一端逸出，或遇上一個(gè)障礙或陷阱從而釋放出無(wú)用的熱量。對(duì)于硅太陽(yáng)能電池中的硅材料來(lái)說(shuō)，通常需要采用高達(dá)900℃的高溫加熱處理以便盡可能地降低缺陷濃度。然而鈣鈦礦只要約100℃就可以去除絕大多數(shù)晶體缺陷。此時(shí)，被光激發(fā)的電子同樣能夠順利地逸出鈣鈦礦，且不至于因?yàn)樽采线^(guò)多的障礙物而損失太多的能量。

但對(duì)于任何基于半導(dǎo)體材料（例如硅或鈣鈦礦）制成的太陽(yáng)能電池而言，太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的效率總有一個(gè)上限，這主要由半導(dǎo)體的“帶隙”性質(zhì)決定。帶隙指的是使電子脫離束縛成為自由電子所需的最小能量。不同半導(dǎo)體通常具有不同的帶隙，由此會(huì)導(dǎo)致一個(gè)兩難境地出現(xiàn)：帶隙越小，電池吸收的太陽(yáng)光光譜范圍就越大，也就可以利用更多的光能來(lái)激發(fā)電子，但每個(gè)電子的能量也會(huì)更低。即使太陽(yáng)能電池材料的帶隙處于最理想的大小，也只能轉(zhuǎn)化約33%的太陽(yáng)能。

在制造鈣鈦礦時(shí)，研究者們可以通過(guò)改變?cè)系某煞謥?lái)調(diào)節(jié)它的帶隙寬度，因此鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在效率上超越硅電池是可能的。研究者還可以將帶隙寬度不同的鈣鈦礦層疊加在一起變成疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池之所以具有可觀的光電轉(zhuǎn)換性能，材料本身優(yōu)良的載流子傳輸能力是一個(gè)決定性因素，而這種性質(zhì)極有可能賦予鈣鈦礦材料在其他更多領(lǐng)域“一展身手”的機(jī)會(huì)。 憶阻是指一類(lèi)具有記憶響應(yīng)的電阻，其具有的高、低阻兩個(gè)電阻狀態(tài)恰好對(duì)應(yīng)了二進(jìn)制中“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)，因此，憶阻器在信息存儲(chǔ)及計(jì)算領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。相較于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)材料，憶阻具有非易失性、低能耗、高開(kāi)關(guān)比、快響應(yīng)速度以及超越摩爾定律限制的能力等性質(zhì)。在傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體發(fā)展越來(lái)越接近極限的時(shí)代背景下，有關(guān)憶阻器的研究激發(fā)了廣泛的研究興趣。

近期陸續(xù)有相關(guān)工作報(bào)道了有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦材料的憶阻性質(zhì)及其作為信息存儲(chǔ)材料的潛力。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的鄒德春教授研究團(tuán)隊(duì)，作為最早發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦材料憶阻性質(zhì)的科研團(tuán)隊(duì)之一，在之前的工作中，探究了鈣鈦礦的憶阻性質(zhì)并對(duì)器件的性能進(jìn)行了優(yōu)化，在平面性鈣鈦礦憶阻器件上實(shí)現(xiàn)了非常高的開(kāi)關(guān)比。最近，又基于多年研究纖維電子器件的經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成功研制了第一個(gè)纖維形態(tài)的鈣鈦礦憶阻器件。這項(xiàng)研究工作大大豐富了鈣鈦礦憶阻領(lǐng)域的研究，并為其進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)拓了新的思路。特別是纖維形態(tài)這個(gè)要素，有望推動(dòng)鈣鈦礦材料在可穿戴存儲(chǔ)/計(jì)算器件領(lǐng)域的全新應(yīng)用。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的迅速崛起也為科學(xué)家們和工程師們帶來(lái)了其他方面的啟發(fā)，如可以利用鈣鈦礦材料來(lái)制備其他類(lèi)型的光電功能器件。此前，研究人員已用金屬鹵化物鈣鈦礦材料制造出發(fā)光二極管（LED）和激光器，它們能通過(guò)冷發(fā)光過(guò)程有效地放出光。

南京工業(yè)大學(xué)黃維院士、王建浦教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備了一種具有多量子阱結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦LED，LED器件外量子效率已達(dá)到11.7%，這是目前為止鈣鈦礦LED的世界最高紀(jì)錄。這一重要研究成果于2016年9月26日刊登在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。其器件效率和穩(wěn)定性遠(yuǎn)超國(guó)際同行報(bào)道的其他鈣鈦礦LED，為鈣鈦礦材料及其在發(fā)光領(lǐng)域的研究開(kāi)拓了全新方向。

據(jù)王建浦教授介紹，他們研制的高效鈣鈦礦LED含有有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料，兼具有機(jī)和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)，具有兩大“利好”：一是，通常無(wú)機(jī)LED發(fā)光管采取點(diǎn)式發(fā)光，不能做顯示屏，只有OLED才能做顯示屏，但鈣鈦礦LED有別于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)LED，可以做顯示屏，且呈像色彩更為鮮艷。二是，鈣鈦礦LED應(yīng)用在照明上優(yōu)勢(shì)也很明顯。其一改傳統(tǒng)的LED室內(nèi)照明點(diǎn)狀發(fā)光為面狀發(fā)光，使室內(nèi)的光線不刺眼，更接近自然光，增加舒適度。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)LED只能做小面積，但利用這項(xiàng)成果可以做成類(lèi)似天花板大的面積，且較之傳統(tǒng)無(wú)機(jī)發(fā)光材料具有缺陷密度低、發(fā)光效率高、色純度好等優(yōu)勢(shì)。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)，還要面臨著許多問(wèn)題：

1、沒(méi)有嚴(yán)格的器件性能評(píng)估方法。在評(píng)估太陽(yáng)能電池性能方面，由于世界范圍內(nèi)各研究組的實(shí)驗(yàn)室條件有所不同，缺乏統(tǒng)一、嚴(yán)格的測(cè)量條件，所以在比較各研究組不同評(píng)測(cè)結(jié)果的時(shí)候，難以得到可靠的結(jié)論。尤其值得注意的是，目前很多鈣鈦礦太陽(yáng)電池在測(cè)量電流電壓特性的時(shí)候，其結(jié)果嚴(yán)重依賴(lài)測(cè)量方式。為了加快太陽(yáng)電池的發(fā)展，使得不同研究組的結(jié)果可以得到可靠的比較和評(píng)估，尤其是獲得高效率的結(jié)果，以及測(cè)量方式嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的時(shí)候，有必要在具有統(tǒng)一嚴(yán)格測(cè)量條件的公共平臺(tái)上進(jìn)行器件測(cè)試評(píng)估。

2、 電池效率的可重現(xiàn)性差。盡管目前報(bào)道的鈣鈦礦電池的效率在15%以上，但是存在重現(xiàn)性差的問(wèn)題，表現(xiàn)為同一條件下制備出的一組電池，其效率數(shù)據(jù)也存在很大的統(tǒng)計(jì)偏差；這導(dǎo)致難以進(jìn)一步深入細(xì)致的研究，因此必須提高鈣鈦礦太陽(yáng)電池的可重現(xiàn)性。

3、 材料對(duì)空氣和水的耐受性以提高器件的穩(wěn)定性差。目前使用的鈣鈦礦材料存在遇空氣分解、在水和有機(jī)溶劑中溶解的問(wèn)題，導(dǎo)致器件壽命短，因此需要開(kāi)發(fā)出對(duì)空氣和水穩(wěn)定的電池材料或者從封裝技術(shù)上解決這個(gè)問(wèn)題。

4、 電池材料有毒。目前的高效率鈣鈦礦電池中的吸光材料普遍含有鉛，如果大規(guī)模使用將會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，因此需要研發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率高的無(wú)鉛型鈣鈦礦材料。

5、 急需商業(yè)化器件開(kāi)發(fā)。由于大面積薄膜難以保持均勻性，目前報(bào)道的高效率鈣鈦礦電池的工作面積只有0.1平方厘米左右，離實(shí)用化還存在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，因此需要發(fā)展出從實(shí)驗(yàn)室平方厘米量級(jí)到規(guī)?；瘧?yīng)用平方米量級(jí)性能穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)電池器件制備技術(shù)。

除此之外，相信大家還有一個(gè)疑問(wèn)，如果沒(méi)有太陽(yáng)能來(lái)源，或者太陽(yáng)能來(lái)源不足的時(shí)候，在室內(nèi)使用的鈣鈦礦設(shè)備怎么辦呢？

最近芬蘭的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)第一次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦具有從多個(gè)來(lái)源同時(shí)轉(zhuǎn)換能量的特性，將太陽(yáng)能，熱能和動(dòng)能同時(shí)轉(zhuǎn)化為電能。而這種鈣鈦礦礦物就是KBNNO（或Ba，Ni共改性的KNbO 3納米晶體），雖然它不如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池那樣提供非常大的電能，但它可以用于現(xiàn)在越來(lái)越普及的電子設(shè)備，如手機(jī)和筆記本電腦，以及各種智能小工具上。需要耗電的傳感器和設(shè)備將可以持續(xù)供電，這個(gè)發(fā)現(xiàn)將會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和智能城市的發(fā)展。

同所有的鈣鈦礦一樣，KBNNO是一種鐵電材料，當(dāng)鐵電材料經(jīng)歷溫度變化時(shí)，它們的偶極子失準(zhǔn)，并且導(dǎo)致電流產(chǎn)生。這種性質(zhì)被稱(chēng)為熱電性。KBNNO也同樣是光伏 ，這意味著當(dāng)暴露在陽(yáng)光下它可以產(chǎn)生電流。另外它也是壓電體，這意味著它可以將由運(yùn)動(dòng)引起的壓力變化轉(zhuǎn)換為電能。在室溫下測(cè)試這種鈣鈦礦物質(zhì)屬性時(shí),他們發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)在單一能源轉(zhuǎn)換為電能時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他鈣鈦礦,事實(shí)上它可以同時(shí)轉(zhuǎn)換3個(gè)不同能源為電能，這也使得特定情況下它更有價(jià)值。

新的種類(lèi)的鈣鈦礦的發(fā)現(xiàn)，也在不斷的推進(jìn)著鈣鈦礦太陽(yáng)電池的應(yīng)用及商業(yè)化。通常礦物開(kāi)發(fā)到市場(chǎng)化應(yīng)用程度，需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程。這也表明我們對(duì)于地球礦物質(zhì)的特性了解的只是冰山一角。盡管鈣鈦礦的未來(lái)依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會(huì)放棄任何產(chǎn)生新能源的機(jī)會(huì)。也許有一天，人類(lèi)就要靠它來(lái)提供電力了，我們就可以徹底和煩人的每天充電說(shuō)再見(jiàn)了！