當前的太陽能技術還不夠好。 安東尼奧·加西亞（Antonio Garcia）, FAL
對更便宜，更環保的電力的需求意味著能源格局的變化比歷史上任何其他時刻都快。 尤其如此 太陽能電力 和 電池儲存。 在過去十年中，兩者的成本都以前所未有的速度下降，而諸如 LED燈光系統 也擴大了。
廉價，無處不在的太陽能和儲能的使用將改變我們生產和使用電力的方式，從而使運輸部門電氣化。 在新的基於化學的經濟中，我們有潛力 儲存可再生能源作為燃料，並支持構成“物聯網“。
但是，我們當前的能源技術不會引領我們走向未來：我們將很快達到效率和成本的極限。 的 未來減排的潛力 例如，來自矽太陽能的電力成本受到限制。 每個面板的製造需要大量的能源，工廠 建造昂貴。 儘管可以進一步降低生產成本，但現在太陽能裝置的成本已經降低 由臨時演員主導 –安裝，接線，電子設備等。
這意味著當前的太陽能發電系統不太可能滿足我們30兆瓦（TW）全球電力需求的要求部分（今天的發電量不到1 TW） 足夠快 解決諸如氣候變化等問題。
同樣，我們當前的LED照明和顯示技術過於昂貴，並且色彩質量不足，無法在足夠短的時間內實際替代傳統照明。 這是一個問題，因為照明目前佔 5% 世界的碳排放量。 需要新技術來迅速填補這一空白。
鹵化物鈣鈦礦
我們在劍橋的實驗室，英國正在與一個有前途的新材料家族合作，稱為 鹵化物鈣鈦礦。 它們是半導體，在受到光刺激時會傳導電荷。 鈣鈦礦墨水沉積在玻璃或塑料上，以形成由金屬，鹵化物和有機離子組成的極薄的薄膜-大約是人類頭髮寬度的百分之一。 當夾在電極觸點之間時，這些薄膜會形成 太陽能電池或LED設備.
令人驚訝的是，只需調整其化學結構，即可改變它們吸收或發出的光的顏色。 通過改變它們的生長方式，我們可以定制它們以使其更適合吸收光（用於太陽能電池板）或發光（用於LED）。 這使我們能夠製造出不同顏色的太陽能電池和LED，它們從紫外光一直發射到可見光和近紅外光。
儘管加工便宜且用途廣泛，但這些材料已被證明在太陽能電池和發光器方面都非常有效。 鈣鈦礦太陽能電池命中 25.2年的效率為2019％，緊隨其後的是晶體矽電池的26.7％和鈣鈦礦LED 接近 現成的有機發光二極管（OLED）性能。
這些技術是 迅速商業化，尤其是在太陽能電池的正面。 總部位於英國的牛津光伏 建了一條生產線 並正在填寫其第一個採購訂單 早在2021。 波蘭公司Saule Technologies於2018年底發布了原型產品，其中包括 鈣鈦礦太陽能立面飛行員。 中國製造商Microquanta Semiconductor期望生產更多 200,000平方米 年底前在其生產線中安裝面板。 美國的Swift Solar（我與他人共同創立）是開拓者 高性能 電池具有輕巧，靈活的特性。
彩色鈣鈦礦發光油墨，可以鑄成薄膜。 ©Sandeep Pathak, 作者提供
之間 這些和其他公司，正在迅速發展。
太陽能窗戶和柔性面板
不同於常規矽電池，為了獲得高效率，矽電池必須非常均勻，鈣鈦礦薄膜由 馬賽克“顆粒” 具有高度可變的尺寸（從納米到毫米）和化學性質-但它們的性能幾乎與當今最好的矽電池一樣好。 此外，小瑕疵或 缺陷 在鈣鈦礦膜中不會導致明顯的功率損耗。 這樣的缺陷對於矽面板或商用LED將是災難性的。
儘管我們仍在試圖理解這一點，但是這些材料迫使社區重新編寫關於我們認為是理想的半導體的教科書：儘管–或– 也許甚至是因為–混亂.
假設我們可以使用這些材料製作“設計師”彩色太陽能電池，這些太陽能電池可以與建築物或房屋融為一體，或者看起來像有色玻璃但又會 功率.
但是真正的機會是開發超越矽電池效率的高效電池。 例如，我們可以將兩種不同顏色的鈣鈦礦薄膜層在一起 “串聯”太陽能電池。 每層將收穫太陽光譜的不同區域，從而提高電池的整體效率。
另一個例子是牛津光伏公司的先驅：在標準矽電池的頂部添加鈣鈦礦層，從而提高現有技術的效率 無需大量額外費用。 這些串聯分層方法可以快速創建一個 提高效率 超過30％的太陽能電池板，這將減少電池板和系統的成本，同時也減少了 能源足跡.
這些鈣鈦礦層也正在開發中，以製造可像新聞紙一樣捲成捲狀的柔性太陽能電池板。 降低成本。 輕巧的高功率太陽能也為電動汽車和通信衛星提供了動力。
柔性鈣鈦礦原型太陽能電池。 Plamen Petkov for《科學美國人》
對於LED，鈣鈦礦可以實現出色的性能 顏色質量 這可能導致高級 柔性顯示技術。 鈣鈦礦還可以提供更便宜，更高質量的產品 白色照明 與當今的商用LED相比，能夠製造出能夠發出冷或暖白光或介於兩者之間的任何所需陰影的地球儀“色溫”。 他們還為建立基礎而產生了興奮 未來的量子計算機，以及 X射線探測器 用於極低劑量的醫學和安全成像。
儘管首批產品已經出現，但仍然存在挑戰。 一個關鍵問題是展示 長期穩定性。 但是這項研究是有前途的，一旦解決了這些問題，鹵化物鈣鈦礦就可以真正推動我們能源生產和消費的轉型。
關於作者
Sam Stranks，能源與皇家學會大學研究員， 劍橋大學
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