有一天，太阳能电池板可能会变得轻巧便宜，可以挂在晾衣绳上，这要归功于一种叫做钙钛矿的合成矿物。 物理学家 Sam Stranks 解释了科学和阻碍其发展的挑战。

太阳能是我们能源未来的关键。 但太阳能行业正面临一个难题：硅电池在将阳光转化为电能方面效率不高——最多只有 29% 的效率。 您可能想知道，当没有阳光时，为什么效率很重要？ 答案是：因为低效率意味着您需要安装大量太阳能电池板——这些太阳能电池板可能又大又重且制造成本高——以产生足够的能量来满足您的需求。

但根据剑桥大学物理学家（和 TED 研究员）山姆·斯特兰克斯的说法，这种情况可能会因为一种叫做钙钛矿的矿物而改变。 他和他在 Swift Solar 的同事正在努力开发基于钙钛矿的太阳能电池板，这种电池板可能会突破能效上限。

钙钛矿到底是什么？

“钙钛矿”一词是指两种物质：一种由钛酸钙组成的氧化钛钙矿物，以及具有该矿物独特晶体结构的一类化合物。 拥有如此有前途的光伏 (PV) 或太阳能发电特性的钙钛矿是日本科学家 Tsutomu Miyasaka 及其同事在 2009 年前发现的一组人造版本。 （宫坂在 2018 年被谈论为潜在的诺贝尔奖获得者。）“这些钙钛矿比硅更能吸收阳光，”斯特兰克斯说。 “我们可以用至少比硅薄一百倍的钙钛矿薄膜吸收几乎所有的阳光。”

科学家们通过混合两种廉价的盐、卤化铅和有机卤化物来合成钙钛矿。

这种溶液形成一种油墨，可以通过使用喷墨印刷或旋涂形成超细、均匀地层。 “沉积的薄膜非常薄——大约 500 纳米或大约是人类头发厚度的 1/100——足以吸收发电所需的大部分阳光，”斯特兰克斯说。

结果：一点钙钛矿可以产生很大的能量。

“例如，加利福尼亚州需要 50 吉瓦的电力，”斯特兰克斯说，“而要制造足够的太阳能电池板，你只需要奥运会游泳池一半的钙钛矿墨水。”

另一个优点：钙钛矿电池工厂可能比硅工厂便宜得多。

虽然建造一座硅工厂的成本约为 3 亿至 4 亿美元，但一座钙钛矿工厂的成本可能不到 1 亿美元。 “成本差异部分是因为制造高结晶硅需要将其加热到非常高的温度以消除缺陷，”斯特兰克斯说。 “另一方面，钙钛矿薄膜只需轻轻加热即可无缺陷，并且可以在大型打印机上快速推出，更具成本效益。”

虽然钙钛矿可能不会立即取代硅电池（要了解原因，请继续阅读），但这两种化合物可以一起工作。

“这不是硅的非此即彼的命题，而是两者兼而有之，” Stranks 说。 钙钛矿电池可以层叠在现有的硅太阳能电池上——在“串联”电池中——以提高它们的效率。 Stranks 认为，用钙钛矿增强硅可以使每个光伏电池板的效率比今天的光伏电池板高 20%。 效率的提高可能会通过太阳能过程产生影响。 他解释说：“如果你要安装的房子以前需要五块面板，现在你只需要四块。 这改变了很多事情：太阳能发电场的面板会突然便宜 20%，以及其他成本节约，等等。”

以下是串联电池的工作原理。

太阳能电池的工作是在可见光谱中收集各种波长的光——这些光被感知为不同的颜色——并将它们转化为能量。 “当你在硅电池上放置钙钛矿电池时，钙钛矿层会收集蓝光，这是能量最高的可见光，并将其转化为电能，”斯特兰克斯说。 “然后其余的光穿过下面的硅电池，它吸收更红、能量更低的射线并将其转化为能量。 这个想法是，通过这两层，你几乎可以收集整个光谱，但你是按顺序进行的，以最大限度地提高发电量。”

为什么不完全摆脱硅而只使用钙钛矿呢？

斯特兰克斯说，这就是目标。 钙钛矿-钙钛矿串联电池——由他的联合创始人 Giles Eperon 和 Tomas Leijtens 首次展示的概念——是 Swift Solar 团队正在开发的一项技术。 两种不同类型的钙钛矿电池相互叠放，就像串联钙钛矿-硅电池收获不同频率的光一样，串联钙钛矿-钙钛矿电池也是如此。 这些可能会将效率提高到 35% 或更高。

为什么硅仍然很重要：我们不知道钙钛矿电池能持续多久。

“硅电池可以使用 25 年，而钙钛矿电池尚未在水分和热量等环境压力下得到充分证明，”斯特兰克斯说。 （请记住，这种材料是在 2009 年才发现的。）如果您要在房屋上安装昂贵的太阳能电池板，您希望它至少能使用几十年。 Stranks 乐观地认为，钙钛矿电池可以变得耐用，也许可以通过优化成分和电池设计。 同时，串联钙钛矿电池可以开始用于不需要长期耐用性的运输和通信应用。

钙钛矿可以以新的形式为新客户带来力量。

Stranks 设想钙钛矿电池有一天会在发展中国家的农村地区提供电力。 虽然硅面板已经在各种环境中安装和使用，但它们可能又重又笨重。 “一个想法是滚下这些廉价的太阳能板，装满一辆卡车，以便在偏远的社区使用。 这些床单可以挂在晾衣绳上，安装在避难所的屋顶上等等，”他说。 “一张带有蓄电池的典型床单可以为手机充电器、灯或小冰箱供电。” 根据 Stranks 的最佳猜测，钙钛矿可能需要长达十年的时间才能进入消费者的生活。 “我们还有工作要做，需要全球推动才能充分发挥钙钛矿的潜力，”他说。 “但鉴于廉价清洁能源的价格，未来是光明的。”