Someday, solar panels may be light and cheap enough that they could be hung on a clothesline, thanks to a synthetic mineral called perovskite. Physicist Sam Stranks explains the solar-powered science and the challenges that stand in its way.
也许有一天，太阳能电池板将轻薄到可以晾在晾衣绳上，这一切都要归功于一种名为钙钛矿的合成矿物。物理学家萨姆·斯特兰克斯为我们解释了这背后的太阳能科学原理，以及前路上所面临的挑战。
太阳能是我们能源未来的关键所在。然而，太阳能行业正面临一个棘手的难题：硅电池将阳光转化为电能的效率并不高——最高约为29%。你或许会问，既然阳光是免费的，效率又何必那么重要呢？答案在于：效率低意味着你需要安装大量太阳能电池板——而这些电池板往往体积庞大、沉重，制造成本高昂——才能产生足够多的电能来满足你的需求。
但这一切或许会因一种名为钙钛矿的矿物而改变。据剑桥大学物理学家（兼TED研究员）萨姆·斯特兰克斯介绍，他和Swift Solar的同事们正致力于研发基于钙钛矿的太阳能电池板，有望突破能源转化效率的上限。
钙钛矿究竟是什么？“钙钛矿“这一术语指代两种物质：一种是由钛酸钙构成的氧化钙钛矿矿物，另一种是具有与该矿物相同独特晶体结构的化合物类别。具有如此出色光伏（PV）或太阳能发电特性的钙钛矿，是日本科学家宫坂力及其同事于2009年发现的一组人工合成版本。（宫坂力曾在2018年被列为诺贝尔奖潜在得主。）”这些钙钛矿对阳光的吸收能力优于硅，”斯特兰克斯说，”我们用一层至少比硅薄一百倍的钙钛矿薄膜，就能吸收几乎所有的阳光。”
科学家通过混合两种廉价盐——卤化铅和有机卤化物——来合成钙钛矿。这种溶液会形成一种墨水，可通过喷墨印刷或旋转涂布的方式涂抹成极薄且均匀的一层。”沉积的薄膜非常薄——大约500纳米，约为人类头发丝厚度的1/100——但已足以吸收发电所需的大部分阳光，”斯特兰克斯说。
结论是：少量钙钛矿即可产生大量电力。“例如，加利福尼亚州需要50吉瓦的电力，”斯特兰克斯说，”而要制造足够多的太阳能电池板，你只需要半个奥运标准游泳池容量的钙钛矿墨水。”
另一个优势：钙钛矿电池工厂的建设成本可能远低于硅工厂。建设一座硅工厂大约需要3亿至4亿美元，而一座钙钛矿工厂的成本可能不到1亿美元。”成本差异的部分原因在于，制造高结晶度的硅需要将其加热到极高温度以消除缺陷，”斯特兰克斯说，”而钙钛矿薄膜只需温和加热即可实现无缺陷，且可以在大型印刷机上快速卷制，成本更加低廉。”
虽然钙钛矿不会立即取代硅电池（原因详见下文），但两种材料可以协同工作。“这不是硅与钙钛矿二选一的问题，而是两者兼用，”斯特兰克斯说。钙钛矿电池可以叠加在现有硅太阳能电池上——构成”叠层”电池——从而提高其效率。斯特兰克斯认为，用钙钛矿强化硅电池可以使每块光伏板的效率比当今提高20%。效率的提升会在整个太阳能发电过程中产生连锁效应。他解释道：”如果你在安装家用太阳能系统时原本需要五块电池板，现在只需四块。这改变了很多：太阳能农场的电池板成本将随之降低20%，以及其他一系列成本节省，如此等等。”
叠层电池的工作原理如下。太阳能电池的任务是采集可见光谱中不同波长的光——即我们所感知到的不同颜色——并将其转化为电能。”当你将钙钛矿电池叠加在硅电池上时，钙钛矿层会采集能量最高的蓝色光，并将其转化为电能，”斯特兰克斯说，”其余的光则继续穿透到下方的硅电池，由硅吸收能量较低的红色光并将其转化为电能。这个设计的理念是，利用两层电池，你几乎可以采集整个光谱的光，并通过分级处理来最大化发电量。”
为什么不完全抛弃硅，直接使用钙钛矿？这正是最终目标，斯特兰克斯说。钙钛矿-钙钛矿叠层电池——这一概念最初由他的联合创始人贾尔斯·爱普隆和托马斯·莱滕斯验证——正是Swift Solar团队正在开发的技术。两种不同类型的钙钛矿电池叠放在一起，就像钙钛矿-硅叠层电池一样采集不同频率的光，这有望将效率提升至35%甚至更高。
硅仍然不可或缺的原因：我们尚不清楚钙钛矿电池的使用寿命。“硅电池可以使用25年，而钙钛矿电池在潮湿和高温等环境压力下的耐久性尚未得到充分验证，”斯特兰克斯说。（请记住，这种材料直到2009年才被发现。）如果你要在自家屋顶安装昂贵的太阳能系统，你肯定希望它能使用数十年。斯特兰克斯乐观地认为，通过优化成分和电池设计，钙钛矿电池的耐久性是可以实现的。与此同时，叠层钙钛矿电池可以率先应用于不需要长期耐用性的交通和通信领域。
钙钛矿有望为新客户提供多种形式的电力。斯特兰克斯憧憬着有一天，钙钛矿电池能够为发展中国家的农村地区供电。虽然硅基电池板已经在各种环境中安装使用，但它们往往笨重且体积较大。”一个设想是将这些廉价的太阳能薄片卷起来，用卡车运送到偏远社区。这些薄片可以挂在晾衣绳上，铺设在临时住所的屋顶上，等等，”他说，”一张典型的薄片配合储能电池，就可以为手机充电器、灯具或小型冰箱供电。”根据斯特兰克斯的估计，钙钛矿进入消费者生活可能还需要长达十年的时间。”我们仍有许多工作要做，需要全球共同努力才能充分发挥钙钛矿的潜力，”他说，”但鉴于廉价清洁能源的美好前景，未来一片光明。”
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