在2016年12月12日的《自然》新聞上，發布了一篇名為《2017 sneak peek： What the new year holds for science》（2017年值得期待的科學事件）中提到科學家將會幾種注意力研究這種叫做鈣鈦礦

的奇蹟材料。文章的具體內容為「2017年下半年，價格低、厚度薄的太陽能電池將拉開市場化進程的帷幕，開始走出實驗室。自2009年以來，鈣鈦礦基太陽能電池的效率一直在顯著提升，但直到最近，研究者才在克服這一材料的一些嚴重缺陷（包括穩定性和毒性）上取得了重大進展。材料+微信，內容不錯。與此同時，他們也在推動著電池生產成本的下降。隨著投資12億歐元的歐洲X射線自由電子激光項目在德國漢堡上線，材料科學領域也會受到提振：這一設備讓研究者得以研究瞬間的化學反應，以及原子尺度細節下的生物和物理過程。」其實在2016年就有報道稱：鈣鈦礦將來要全面取代硅晶體材料。但是實際上鈣鈦礦取代硅晶體材料還有一段路要走。

提起鈣鈦礦電池，知道的人並不多；說起晶硅太陽能電池，早已家喻戶曉。鈣鈦礦太陽能電池就是科學家們光伏電池研究的新嘗試。在近期舉行的MRS（美國材料科學研究學會）國際大會上，鈣鈦礦太陽能電池即將取代硅基太陽能電池統治地位的觀點為大家所公認。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化效率的新突破，能阻礙鈣鈦礦太陽能電池商業化的主要問題就是穩定性的提高，科學家們也正在全力以赴的尋找解決方法。

1.什麼是鈣鈦礦？

鈣鈦礦材料是一類有著與鈦酸鈣（CaTiO3）相同晶體結構的材料，是 Gustav Rose 在 1839年發現，後來由俄羅斯礦物學家L. A. Perovski命名。鈣鈦礦材料結構式一般為ABX3，其中A和B是兩種陽離子，X是陰離子。這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質，比如吸光性、電催化性等等，在化學、物理領域有不小的應用。鈣鈦礦大家族裡現已包括了數百種物質，從導體、半導體到絕緣體，範圍極為廣泛，其中很多是人工合成的。太陽能電池中用到的鈣鈦礦（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）屬於半導體，有良好的吸光性。

鈣鈦礦太陽能電池因其所需的原材料儲量豐富，製備工藝簡單且可以採用低溫、低成本的工藝實現高品質的薄膜而擁有誘人的前景。這些有著高質量晶體結構的薄膜甚至可以與在高溫下以高成本獲得的矽片的晶體質量媲美，實現柔性化和「卷對卷」式的規模化生產。為了挑戰硅在太陽能電池領域的主導地位，製備鈣鈦礦電池還需要解決一些關鍵問題。目前，實驗室中的電池樣品只有指甲蓋大小，其安全性和長期穩定性也有待大幅提升——對於研究人員而言，這將是一場艱苦的戰鬥。材料+微信，內容不錯。

2.鈣鈦礦發展優勢

鈣鈦礦太陽能電池是一種由有機材料和無機材料組合成的一種新型太陽能電池，和單晶硅／多晶硅／薄膜太陽能電池一樣，都是將太陽能轉化為電能的裝置。和其他種類的太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池的成本低、製造便宜、具有柔韌性。2009年，日本桐蔭橫濱大學的宮坂力教授將碘化鉛甲胺和溴化鉛甲胺應用於染料敏化太陽能電池，獲得了最高3.8%的光電轉化效率，此為鈣鈦礦光伏技術的起點。此後，鈣鈦礦太陽能電池的結構設計和配套材料等持續進步，在短短7年間效率就提高到了22.1%。

在光伏技術領域，如此迅速的技術飛躍是從來沒有過的。以主流的多晶硅技術為例，1985年，多晶硅太陽能電池的實驗室效率是15%左右，到2004年增 長到20.4%，20年時間只增長了5個百分點；2004年到2015年，11年間只增長到20.6%，幾乎沒有任何進步。如圖3所示，鈣鈦礦光伏技術在很短的時間內異軍突起，迅速實現了對多晶硅技術的反超。目前鈣鈦礦太陽能電池的效率已經顯著高於多晶硅，而且它的上升勢頭遠未停止，在短時間內超過25% 看來絕非難事。那麼為什麼研究人員認為鈣鈦礦太陽能電池將有望超過硅所創下的效率記錄？

答案的關鍵就在材料內部可激發的電子和可自由移動的電子中。當陽光照射太陽能電池時，一些電子會吸收能量而脫離原子束縛。充滿能量的受激電子會穿過材料中的晶格向一邊移動，或從電池的一端逸出，或遇上一個障礙或陷阱從而釋放出無用的熱量。對於硅太陽能電池中的硅材料來說，通常需要採用高達900℃的高溫加熱處理以便儘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晶體缺陷。此時，被光激發的電子同樣能夠順利地逸出鈣鈦礦，且不至於因為撞上過多的障礙物而損失太多的能量。

但對於任何基於半導體材料（例如硅或鈣鈦礦）製成的太陽能電池而言，太陽光能轉化為電能的效率總有一個上限，這主要由半導體的「帶隙」性質決定。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。不同半導體通常具有不同的帶隙，由此會導致一個兩難境地出現：帶隙越小，電池吸收的太陽光光譜範圍就越大，也就可以利用更多的光能來激發電子，但每個電子的能量也會更低。材料+微信，內容不錯。即使太陽能電池材料的帶隙處於最理想的大小，也只能轉化約33%的太陽能。

在製造鈣鈦礦時，研究者們可以通過改變原料的成分來調節它的帶隙寬度，因此鈣鈦礦太陽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能電池。

3.鈣鈦礦的其他發現

鈣鈦礦太陽能電池之所以具有可觀的光電轉換性能，材料本身優良的載流子傳輸能力是一個決定性因素，而這種性質極有可能賦予鈣鈦礦材料在其他更多領域「一展身手」的機會。 憶阻是指一類具有記憶響應的電阻，其具有的高、低阻兩個電阻狀態恰好對應了二進位中「0」和「1」兩個狀態，因此，憶阻器在信息存儲及計算領域具有良好的應用潛力。相較於傳統的存儲材料，憶阻具有非易失性、低能耗、高開關比、快響應速度以及超越摩爾定律限制的能力等性質。在傳統硅基半導體發展越來越接近極限的時代背景下，有關憶阻器的研究激發了廣泛的研究興趣。

近期陸續有相關工作報道了有機/無機雜化的鈣鈦礦材料的憶阻性質及其作為信息存儲材料的潛力。北京大學化學與分子工程學院的鄒德春教授研究團隊，作為最早發現鈣鈦礦材料憶阻性質的科研團隊之一，在之前的工作中，探究了鈣鈦礦的憶阻性質並對器件的性能進行了優化，在平面性鈣鈦礦憶阻器件上實現了非常高的開關比。最近，又基於多年研究纖維電子器件的經驗，團隊成功研製了第一個纖維形態的鈣鈦礦憶阻器件。這項研究工作大大豐富了鈣鈦礦憶阻領域的研究，並為其進一步發展開拓了新的思路。特別是纖維形態這個要素，有望推動鈣鈦礦材料在可穿戴存儲/計算器件領域的全新應用。

鈣鈦礦太陽能電池的迅速崛起也為科學家們和工程師們帶來了其他方面的啟發，如可以利用鈣鈦礦材料來製備其他類型的光電功能器件。此前，研究人員已用金屬鹵化物鈣鈦礦材料製造出發光二極體（LED）和激光器，它們能通過冷發光過程有效地放出光。

南京工業大學黃維院士、王建浦教授團隊創新性地設計並製備了一種具有多量子阱結構的鈣鈦礦LED，LED器件外量子效率已達到11.7%，這是目前為止鈣鈦礦LED的世界最高紀錄。這一重要研究成果於2016年9月26日刊登在國際頂級學術期刊《自然·光子學》上。其器件效率和穩定性遠超國際同行報道的其他鈣鈦礦LED，為鈣鈦礦材料及其在發光領域的研究開拓了全新方向。

據王建浦教授介紹，他們研製的高效鈣鈦礦LED含有有機—無機雜化鈣鈦礦材料，兼具有機和無機半導體材料的優勢，具有兩大「利好」：一是，通常無機LED發光管採取點式發光，不能做顯示屏，只有OLED才能做顯示屏，但鈣鈦礦LED有別於傳統無機LED，可以做顯示屏，且呈像色彩更為鮮艷。二是，鈣鈦礦LED應用在照明上優勢也很明顯。其一改傳統的LED室內照明點狀發光為面狀發光，使室內的光線不刺眼，更接近自然光，增加舒適度。傳統無機LED只能做小面積，但利用這項成果可以做成類似天花板大的面積，且較之傳統無機發光材料具有缺陷密度低、發光效率高、色純度好等優勢。

4.鈣鈦礦市場化的問題

鈣鈦礦太陽電池要真正實現產業化和市場產品生產，還要面臨著許多問題：

1、沒有嚴格的器件性能評估方法。在評估太陽能電池性能方面，由於世界範圍內各研究組的實驗室條件有所不同，缺乏統一、嚴格的測量條件，所以在比較各研究組不同評測結果的時候，難以得到可靠的結論。尤其值得注意的是，目前很多鈣鈦礦太陽電池在測量電流電壓特性的時候，其結果嚴重依賴測量方式。為了加快太陽電池的發展，使得不同研究組的結果可以得到可靠的比較和評估，尤其是獲得高效率的結果，以及測量方式嚴重影響測量結果的時候，有必要在具有統一嚴格測量條件的公共平台上進行器件測試評估。

2、 電池效率的可重現性差。儘管目前報道的鈣鈦礦電池的效率在15%以上，但是存在重現性差的問題，表現為同一條件下製備出的一組電池，其效率數據也存在很大的統計偏差；這導致難以進一步深入細緻的研究，因此必須提高鈣鈦礦太陽電池的可重現性。

3、 材料對空氣和水的耐受性以提高器件的穩定性差。目前使用的鈣鈦礦材料存在遇空氣分解、在水和有機溶劑中溶解的問題，導致器件壽命短，因此需要開發出對空氣和水穩定的電池材料或者從封裝技術上解決這個問題。

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，如果大規模使用將會帶來環境問題，因此需要研發出光電轉換效率高的無鉛型鈣鈦礦材料。

5、 急需商業化器件開發。由於大面積薄膜難以保持均勻性，目前報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，離實用化還存在相當遠的距離，因此需要發展出從實驗室平方厘米量級到規模化應用平方米量級性能穩定的鈣鈦礦太陽電池器件製備技術。

5.「新」的方向

除此之外，相信大家還有一個疑問，如果沒有太陽能來源，或者太陽能來源不足的時候，在室內使用的鈣鈦礦設備怎麼辦呢？

最近芬蘭的一個研究團隊第一次發現鈣鈦礦具有從多個來源同時轉換能量的特性，將太陽能，熱能和動能同時轉化為電能。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能電池那樣提供非常大的電能，但它可以用於現在越來越普及的電子設備，如手機和筆記本電腦，以及各種智能小工具上。需要耗電的感測器和設備將可以持續供電，這個發現將會推動物聯網和智能城市的發展。

同所有的鈣鈦礦一樣，KBNNO是一種鐵電材料，當鐵電材料經歷溫度變化時，它們的偶極子失准，並且導致電流產生。這種性質被稱為熱電性。KBNNO也同樣是光伏 ，這意味著當暴露在陽光下它可以產生電流。另外它也是壓電體，這意味著它可以將由運動引起的壓力變化轉換為電能。在室溫下測試這種鈣鈦礦物質屬性時,他們發現該物質在單一能源轉換為電能時遠遠超過其他鈣鈦礦,事實上它可以同時轉換3個不同能源為電能，這也使得特定情況下它更有價值。

新的種類的鈣鈦礦的發現，也在不斷的推進著鈣鈦礦太陽電池的應用及商業化。通常礦物開發到市場化應用程度，需要一個相當長的過程。這也表明我們對於地球礦物質的特性了解的只是冰山一角。儘管鈣鈦礦的未來依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會放棄任何產生新能源的機會。也許有一天，人類就要靠它來提供電力了，我們就可以徹底和煩人的每天充電說再見了！

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