太阳能电池如何变得让更多人用得起

据俄罗斯卫星通讯社sputniknews报道，太阳能电池几十年来都是世界各国学者关注的中心。许多专家认为，人类在太阳能领域距离真正的革命不远了。除了惯用的硅电池技术外，还采用了钙钛矿。俄罗斯卫星通讯社和广播电台的记者与光电和太阳能领域的世界顶级专家、以色列内盖夫本·古里安大学(Ben Gurion University of Negev)教授叶甫根尼·卡茨进行了交谈，了解了太阳能电池在不久的未来将如何运行，以及等待人类的是什么。

–叶甫根尼·阿道福维奇，近几年来人们对光电的讨论很多。早在2016年就有人预测，2017年可能成为超高光电转化效率的钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells的转折年度。革命是否发生?人们对钙钛矿的这种关注与什么有关?

— 我们是见证者，就算不是革命，也是在有机-无机半导体新家族–所谓有机-无机金属卤化物钙钛矿(metal halide perovskites)的基础上获取高效太阳能电池技术发展中最强劲的革命性飞跃。

如果说2007年这些仪器的能效不超过3%的话，那么现在这个对太阳能来说最重要的指标已经超过了24%。这非常高，距离迄今为止最常见的基于晶硅的太阳能电池创纪录的能效相当近。

在此情况下，所有人理解，钙钛矿电池将非常廉价，因为这种薄膜仪器中的几乎所有活性层最终都可以在打印机里从溶解混合物中打印出来。

但人们对这种新技术的主要兴趣甚至与此无关。今天工业市场压制晶硅太阳能电池，其效率几乎已经达到了理论极限，不是很明白下一步该往哪里前行。

光电电池的出现改变了这种局势：人们试图建造所谓的串联太阳能电池或者双层太阳能电池，实际上，它由两部分组成–上部分光电(对入射太阳光线)和下部分硅。

所有的快乐之处在于，喷涂廉价钙钛矿电池几乎不增加硅仪器的价格，但却能极大增加其能效。如果今天硅电池能效所达到的记录大约是26%的话，那么串联钙钛矿-硅电池的记录则是28%。也就是说，我们跨越了独特的心理”障碍”，在认真谈论把串联电池的能效提高到30%–35%的可能性。

当一切发生时，革命将确实发生!主要兴趣就与此有关!因此全世界有几百个，或者也许，几千个实验室在开展这方面的工作，向研究和制造工业和半工业样品投入巨资。

–是什么抑制了钙钛矿革命?

— 在我看来，钙钛矿电池的主要不足之处是它们在太阳光线的作用下退化的相当快。

硅电池的服役年限是25年，而光电电池的服役年限则是24年。这是抑制这种技术进行工业应用的主要的不足之处。

我们试图增加这些仪器的操作稳定性(operation stability)。我们的任务是制造出把高效率与长久服役期限结合起来的电池。为此需要理解退化发生的物理-化学机制。

–除了硅和钙钛矿外，是否存在利用其它技术的太阳能电池?

— 在实验室层面存在许多利用各种半导体材料的此类技术，有机和无机，以及仪器结构的各种方案。长时间以来，许多技术的发展和工业应用都是同时进行。但今天在电力的工业生产层面上，基于硅的太阳能电池完全占主导地位。

–是什么让普通人在太阳能电池中应用串联技术：这可能更便宜还是更环保?

— 确实，电力价格便宜了。从环保的角度看–一切并不是只有一个意思。光电成分中含铅，而铅不是元素周期表中的生态元素。因此现在尝试替代结构中的铅。但甚至是在今天的薄膜钙钛矿技术中，铅含量比用铅进行电池焊接的硅技术中的铅含量。在我看来，这里最重要的问题也是电池的稳定性。

–许多国家都在研究钙钛矿，并试图利用钙钛矿。俄罗斯是否可以平等参与这项竞赛?俄罗斯国立研究型技术大学”莫斯科钢铁与合金学院”在这里可能扮演何种角色?

— 美苏两个国家曾经在光电太阳能电池的制造技术中处于领先地位。这无疑是由航天器供电的必要性决定的。1958年，在苏联发射首颗卫星仅仅一年后，也就是在美国人首次展示硅太阳能电池四年后，苏联和美国都发射了太阳能电池供电的卫星，这两颗卫星分别是”3号卫星”和先锋1号卫星。

苏联在创纪录的短时间内建立起了光电产业。主抓这些研究工作的是阿尔卡季·巴甫洛维奇·兰茨曼。我想，今天说出这个名字是公正的。当然，还有诺贝尔奖得主若列斯·伊万诺维奇·阿尔费罗夫，在他的实验中研究出了异质结和基于镓的砷化物的多转换太阳能电池。

在重建之后的俄罗斯，学院派科学和应用科学，以及技术集约型生产曾经经历了严重的危机(也许危机仍在继续)。年轻人无法养活家人，他们或者应该转变职业，或者离开祖国。

今日的科学是一个国际社区，根据定义是国际的。限制思想和人员从一个国家流动到另一个国家是不可能的。这方面的任何措施对科学来说都是有害的。

但创造条件使学者们重返俄罗斯是可能的，也是重要的。我看到了这方面的正面进展。首先是有助于吸引外国著名学者在俄罗斯建立先进科研实验室的巨额资助计划体系(Mega Grant)。

比如，俄罗斯国立研究型技术大学”莫斯科钢铁与合金学院”向世界级光电研究领先人物之一阿利多·迪·卡洛(Aldo Di Carlo)伸出了橄榄枝。他在3年内的任务是在这里建立钙钛矿太阳能电池研究和生产实验室。我尤其喜欢这一点，因为我自己是1982年从莫斯科钢铁与合金学院毕业的，也正是从这里师从谢苗·萨姆伊洛维奇·戈列利克教授开始自己的光电研究事业的。

斯科尔科沃科技园( Skoltech)是俄罗斯巨额资助计划体系(Mega Grant)其他的成功参与者。顺便说一下，俄罗斯钙钛矿科学届当之无愧的领军人物、多年的同事和共同作者帕维尔·特罗申教授所领导的团队就在那里工作。

我觉得，俄罗斯的主要潜力在大脑中，在智力水平上，首先是大学生和年轻学者的智力上。任务是保持这种潜力。否则不会成功建立实验室，更不会成功发明新技术。

–钙钛矿技术在多大程度上是通用的?在照明、激光和屏幕中使用的是否是同样的钙钛矿技术?

— “钙钛矿”这个术语是因CaTiO3的名称而出现的，今天我们把类似这种矿物结构的带有晶格的许多材料都称为钙钛矿。因此它们的通用性高，在各种不同领域内都有应用，比如，这就像询问金属用在哪里一样。但其它仪器甚至是在那些应用在太阳能电池中的金属-卤族光电的基础上建造的，比如：发光二极管、激光、各类传感器。

–太阳照射不足的许多国家都认为，太阳能电池在他们国家的条件下是低效的。光电技术的应用是否将使这种情况发生变化?

— 需要所谓直接太阳光的技术在北方国家不好用，因为云层的吸收和散射将极大降低阳光的强度。但还存在散射光。如果有许多钙钛矿，太阳能电池的运行状况要好一些，但如果光少，太阳能电池仍然能够运行。

现在太阳能电池变得如此廉价，它的使用在任何国家都将是有益的。而如果光电的想法成功得以实现，那么太阳能电池的能效将提高，那么这将更加有益。

本次采访是在俄罗斯国立研究型技术大学”莫斯科钢铁与合金学院”举行的第20届”纳米结构中的光-物质相关状况物理”光导材料(PLMCN-2019) 国际会议期间完成的。