數(shù)十年里，幾乎所有的太陽能技術(shù)，例如晶體硅晶片和碲化鎘薄膜都有一個(gè)緩慢穩(wěn)定的發(fā)展過程，同時(shí)也有技術(shù)能將太陽光線的14%能量轉(zhuǎn)換為電力。但如今一個(gè)新競爭者脫穎而出：由名為鈣鈦礦的復(fù)雜晶體制成的太陽能電池。

2009年，這種電池悄然到來，當(dāng)時(shí)其有效轉(zhuǎn)換率為3.8%——這是一個(gè)乏味的結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的頂級硅光電池在實(shí)驗(yàn)室中的轉(zhuǎn)換率能達(dá)到25%。但是，到2011年年底，新電池的有效率翻了一番達(dá)到6.5%，去年攀升到10%，2013年，有效率為15%。這讓人驚訝。以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院材料學(xué)家davidcahen說，在太陽能電池里，我們從未看到這樣的結(jié)果。

這種電池的發(fā)展趨勢越來越好。鈣鈦礦是由現(xiàn)成材料制成的，不像某些種類的太陽能電池，它們廉價(jià)而容易產(chǎn)生。專家認(rèn)為，這種電池還有許多改進(jìn)空間，明年效率能達(dá)到20%。鈣鈦礦太陽能電池還有潛力與硅電池板相結(jié)合，制造出效率達(dá)30%甚至更高的串聯(lián)電池。

它在發(fā)展。美國斯坦福大學(xué)材料學(xué)家michaelmcgehee說。它非常具有競爭性。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)家michaelgratzel說。戰(zhàn)役在繼續(xù)。它的發(fā)展非常迅速，我沒有時(shí)間睡覺了。美國加州大學(xué)洛杉磯分校太陽能電池專家yangyang說。

正確方向

鈣鈦礦在1個(gè)多世紀(jì)前就擺在了太陽能電池制造者面前。1839年，一位俄羅斯礦物學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這種礦物質(zhì)的自然狀態(tài)。目前，已知有數(shù)百種此類礦物質(zhì)，太陽能電池鈣鈦礦屬于半導(dǎo)體，其他家族成員從導(dǎo)體到絕緣體范圍極為廣泛，最著名的是高溫氧化銅超導(dǎo)體。

上世紀(jì)90年代，ibm華生研究中心物理學(xué)家davidmitzi使用鈣鈦礦半導(dǎo)體制成了薄膜晶體管和發(fā)光二極管。這些裝置能夠工作。盡管許多發(fā)光材料也能制成良好的吸光器，但mitzi發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太不穩(wěn)定而無法制作太陽能電池——材料必須能夠持續(xù)數(shù)十年才有商業(yè)價(jià)值。

幾乎在10年之后，tsutomumiyasaka朝著解決問題的方向邁出了第一步。日本桐蔭橫濱大學(xué)化學(xué)家miyasaka及同事致力于研究染色敏化太陽能電池（dsscs）。與傳統(tǒng)的硅太陽能電池不同，dsscs包含有機(jī)吸光染料混合物，這些混合物為二氧化鈦（tio2）等微小顆粒添加涂層，這些顆粒被電解液包圍。

在標(biāo)準(zhǔn)dsscs里，當(dāng)染色分子吸引光子時(shí)，光能夠提高染色劑中電子的能量，使其跳到二氧化鈦微粒上。在那里，它會(huì)從微粒跳到微粒，直至到達(dá)電極，然后被收集起來，送入電路中。同時(shí)，其他電子從電解質(zhì)跳到染色劑，并使其恢復(fù)到初始狀態(tài)。

gratzel表示，這里就有個(gè)麻煩。1991年gratzel研究小組發(fā)明了dsscs，但其染色劑不能吸收所有的光，因此降低了電池的能效。為了做得更好，miyasaka將注意力轉(zhuǎn)向鈣鈦礦。他的研究小組花費(fèi)了兩年時(shí)間，尋找能使這種物質(zhì)變穩(wěn)定的秘方。他們使用了一層薄薄的吸光鈣鈦礦層，能效達(dá)3.8%。但不幸的是，這種電池也包含液體電解質(zhì)，會(huì)在幾分鐘內(nèi)溶解鈣鈦礦，以致電池失效。

之后，gratzel與韓國成均館大學(xué)的nam-gyupark合作邁出了下一步。2012年，他們宣布使用固體取代了原來的液體，能效接近10%。現(xiàn)在，事情開始變得有趣。

越來越好

當(dāng)其他技術(shù)還在為突破12%競爭時(shí)，鈣鈦礦太陽能電池為何能遙遙領(lǐng)先？cahen表示，正確答案的一部分是，鈣鈦礦有近乎完美的結(jié)晶度。這是砷化鎵和晶體硅等頂級太陽能電池材料共有的特征。

在第二類電池材料中，這種晶體排列充斥著許多瑕疵。當(dāng)電荷快速通過晶體陷入瑕疵時(shí)，它們通常會(huì)放棄額外的能量。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價(jià)值數(shù)百萬美元的設(shè)備。但是鈣鈦礦能在80攝氏度下被制成，并能從溶液中簡單沉淀析出近乎完美的形式。有一點(diǎn)美夢成真的感覺。cahen說。