伴隨著科技的進(jìn)步，我們的生活也在發(fā)生著變化，例如在不久之前科學(xué)家們就在太陽(yáng)能領(lǐng)域取得了重大突破，對(duì)于可再生能源這可能會(huì)是一個(gè)翻天覆地的變化。這期讓我們走近太陽(yáng)能領(lǐng)域的新寵————鈣鈦礦有機(jī)太陽(yáng)能電池。

某種意義上講，太陽(yáng)能可以算是可再生能源的鼻祖，在它的身上有很多優(yōu)點(diǎn)，比如環(huán)保、取之不盡、用之不竭等等，這也是我們對(duì)它如此著迷的主要原因。不過(guò)，它的缺點(diǎn)也不少，其中最突出的就是效率嚴(yán)重不足，這也是十幾年來(lái)在太陽(yáng)能技術(shù)上，我們一直無(wú)法逾越的鴻溝。但是現(xiàn)在，伴隨著一項(xiàng)新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)，太陽(yáng)能效率低下的壁壘可能會(huì)被打破。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室最近宣布，它們利用一項(xiàng)全新技術(shù)在普通光照的環(huán)境中，成功地將太陽(yáng)能電池的效率提升到了39.5%，這絕對(duì)是里程碑式的進(jìn)步。要知道，2019年在集中光照的條件下，太陽(yáng)能電池的最高效率也只有47.1%，這里所用到的就是倒置變質(zhì)多節(jié)太陽(yáng)能電池，簡(jiǎn)稱IMM。IMM電池主要有三層，每一層都由不同材料制成，每種材料都可以吸收不同光波范圍的太陽(yáng)光，這樣就可以讓整塊電池獲得更多的能量，在層與層之間還設(shè)計(jì)有300個(gè)量子阱，它也成為了整塊電池的關(guān)鍵。

無(wú)獨(dú)有偶，英國(guó)薩里大學(xué)也研發(fā)出了一種新材料，可以為太陽(yáng)能板增加25%的能量吸收。它的厚度只有1微米呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在常規(guī)結(jié)構(gòu)的硅電池上有近三分之一的光照會(huì)被反射出去，而蜂窩結(jié)構(gòu)卻能有效避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，提高電池效率。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感主要來(lái)自于蝴蝶翅膀和鳥的眼睛。研究人員發(fā)現(xiàn)，2022年蜂窩結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能板每平方厘米的吸收率為26.3毫安，相比于2017年的普通結(jié)構(gòu)，每平方厘米19.72毫安的吸收率足足提高了25%。現(xiàn)在市面上大概有95%的太陽(yáng)能板是由硅材料制成的。而這期我們要講到的是一種全新合成材料，它就是鈣鈦礦。

鈣鈦礦很容易在物體表面聚合，這意味著它可以單獨(dú)使用，也可以跟其他電池技術(shù)結(jié)合使用。例如晶體硅電池、鈣鈦礦半導(dǎo)體，甚至可以將光譜中的藍(lán)色光吸收轉(zhuǎn)化成能量。所以，當(dāng)把它跟硅電池結(jié)合使用時(shí)，我們可以獲得30%的效率，而在單獨(dú)使用鈣鈦礦電池時(shí)，它的效率只有25%。雖然鈣鈦礦具有便宜、高效、輕薄等諸多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)同樣顯著。首先就是它的耐用性，因?yàn)殁}鈦礦過(guò)于輕薄，所以幾乎無(wú)法承受暴雨、強(qiáng)光和冰雹天氣帶來(lái)的沖擊。為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們研發(fā)出了一種新型有機(jī)金屬化合物，來(lái)延長(zhǎng)鈣鈦礦電池的使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)，加入了這種化合物在使用1500小時(shí)后，依舊有98%的電池可以將效率保持在25%。它還以優(yōu)異的成績(jī)通過(guò)了濕熱穩(wěn)定性測(cè)試，那么鈣鈦礦的壽命為什么這么低呢？

2022年5月，劍橋大學(xué)和日本沖繩理工學(xué)院的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致鈣鈦礦光降解問(wèn)題背后的罪魁禍?zhǔn)字痪褪羌{米陷阱簇。它不僅會(huì)導(dǎo)致電池效率降低，還會(huì)讓材料結(jié)構(gòu)更加脆弱，想避免這個(gè)問(wèn)題，最好的辦法只能是改變它的結(jié)構(gòu)，通過(guò)打印的方式制造太陽(yáng)能電池，又會(huì)是一種怎樣的體驗(yàn)?zāi)?？有機(jī)動(dòng)力電池是通過(guò)將光伏材料印刷到像塑料薄片等柔性材料上制成的，這些薄如紙片的太陽(yáng)能電池完全由有機(jī)材料組成，它具有制造簡(jiǎn)單、靈活性高和重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)動(dòng)力電池的生產(chǎn)，就跟印刷報(bào)紙一樣簡(jiǎn)單，它的成本只有硅電池的一半，每平方米的重量也只有2公斤，預(yù)計(jì)到2023年，每平方米的重量將減輕到1公斤，跟硅電池不同，即便在室內(nèi)使用，有機(jī)動(dòng)力電池的效率也不會(huì)降低，所以它更受室內(nèi)設(shè)備以及可穿戴設(shè)備的青睞。

雖然為了降低負(fù)荷，有機(jī)動(dòng)力電池的效率很低，只有10%左右，但它的使用年限卻很長(zhǎng)，足足有20年，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于鈣鈦礦電池的壽命。如果批量生產(chǎn)成功，有機(jī)動(dòng)力電池的成本還將會(huì)降低一半，德國(guó)的一家初創(chuàng)公司（heliotech），最早將于今年開始大規(guī)模生產(chǎn)這種有機(jī)太陽(yáng)能電池，巴西初創(chuàng)公司sun new，也計(jì)劃生產(chǎn)這種有機(jī)電池。目前sun new已經(jīng)生產(chǎn)了10000平方米，大部分都用于汽車車頂。瑞典的 epishine公司在去年12月，就已經(jīng)將它們的微型太陽(yáng)能電池投放進(jìn)了市場(chǎng)，它的能量效率為13%，壽命為10年。這些有機(jī)電池可用于溫度和濕度傳感器，火災(zāi)報(bào)警器以及讀卡器中。日本理光公司也已經(jīng)開始小規(guī)模生產(chǎn)這種太陽(yáng)能電池，雖然每年的產(chǎn)能只有100平方米，但也足夠?yàn)?0000個(gè)小型設(shè)備提供動(dòng)力。

全氟化硫酸離聚物主要有由二氧噻吩和聚丙乙烯硫酸鹽組成，它也是一種導(dǎo)電聚合物。不幸的是，這種物質(zhì)溶于水，且具有很強(qiáng)的酸性。不過(guò)，華盛頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的聚合物，這種物質(zhì)存在于酒精中酸性很低，用它制作的太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到15%。在工作1330小時(shí)后，可以保留其83%的初始效率。那么，這些新型太陽(yáng)能技術(shù)真的可以顛覆整個(gè)行業(yè)嗎？雖然新型技術(shù)可以提高利用率，但制造成本同樣高得驚人，它已經(jīng)成為了阻礙可再生能源大規(guī)模量產(chǎn)的主要原因之一。

想要更好的發(fā)展，我們必須要找到一種讓成本和效率更加平衡的方法。所以，薩里大學(xué)的蜂窩太陽(yáng)能板似乎更具潛力，它在提高效率的同時(shí)，通過(guò)減少硅的使用進(jìn)一步壓縮了成本，只是這種技術(shù)距離市場(chǎng)化生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，而距離我們最近的新型太陽(yáng)能技術(shù)就是鈣鈦礦，雖然已經(jīng)小規(guī)模量產(chǎn)，但要真的民用化仍然有很多技術(shù)問(wèn)題需要被攻破。

除了高昂的制造成本，在使用幾個(gè)月后，鈣鈦礦電池的效率損失高達(dá)10%，相比之下，在使用30-40年后，硅電池的效率損失只有20%左右。那么，該如何更合理地利用新型太陽(yáng)能技術(shù)呢？以鈣鈦礦為例，如果我們把它和硅電池結(jié)合在一起，由于材料屬性不同，它們就會(huì)吸收不同波段的光線這將起到很好的能量互補(bǔ)作用。有機(jī)動(dòng)力電池重量輕、彈性好，它們可以被大面積安置在屋頂或墻壁等位置，當(dāng)然，因?yàn)閴勖L(zhǎng)，它也可以被用在小型可穿戴設(shè)備上。

千萬(wàn)不要小看了這塊蛋糕，到2026年，全球智能傳感器市場(chǎng)份額可能將高達(dá)296億美元，雖然新型太陽(yáng)能技術(shù)層出不窮但是到目前為止，我們?nèi)耘f無(wú)法找到使用它們的最優(yōu)方案。要么是體積太大，要么是效率低下，又或者是壽命太短。

那么，你覺得誰(shuí)會(huì)成為硅太陽(yáng)能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者呢？