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編者按：人類在太陽能領域距離真正的革命不遠了。除了慣用的硅電池技術外，還采用了鈣鈦礦?，F(xiàn)在太陽能電池變得如此廉價，它的使用在任何國家都將是有益的。而如果光電的想法成功得以實現(xiàn)，那么太陽能電池的能效將提高，那么這將更加有益。

據俄羅斯衛(wèi)星通訊社sputniknews報道，太陽能電池幾十年來都是世界各國學者關注的中心。許多專家認為，人類在太陽能領域距離真正的革命不遠了。除了慣用的硅電池技術外，還采用了鈣鈦礦。俄羅斯衛(wèi)星通訊社和廣播電臺的記者與光電和太陽能領域的世界頂級專家、以色列內蓋夫本·古里安大學(Ben Gurion University of Negev)教授葉甫根尼·卡茨進行了交談，了解了太陽能電池在不久的未來將如何運行，以及等待人類的是什么。
–葉甫根尼·阿道福維奇，近幾年來人們對光電的討論很多。早在2016年就有人預測，2017年可能成為超高光電轉化效率的鈣鈦礦型太陽能電池(perovskite solar cells的轉折年度。革命是否發(fā)生?人們對鈣鈦礦的這種關注與什么有關?

—我們是見證者，就算不是革命，也是在有機-無機半導體新家族–所謂有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦(metal halide perovskites)的基礎上獲取高效太陽能電池技術發(fā)展中最強勁的革命性飛躍。

如果說2007年這些儀器的能效不超過3%的話，那么現(xiàn)在這個對太陽能來說最重要的指標已經超過了24%。這非常高，距離迄今為止最常見的基于晶硅的太陽能電池創(chuàng)紀錄的能效相當近。

在此情況下，所有人理解，鈣鈦礦電池將非常廉價，因為這種薄膜儀器中的幾乎所有活性層最終都可以在打印機里從溶解混合物中打印出來。

但人們對這種新技術的主要興趣甚至與此無關。今天工業(yè)市場壓制晶硅太陽能電池，其效率幾乎已經達到了理論極限，不是很明白下一步該往哪里前行。

光電電池的出現(xiàn)改變了這種局勢：人們試圖建造所謂的串聯(lián)太陽能電池或者雙層太陽能電池，實際上，它由兩部分組成–上部分光電(對入射太陽光線)和下部分硅。

所有的快樂之處在于，噴涂廉價鈣鈦礦電池幾乎不增加硅儀器的價格，但卻能極大增加其能效。如果今天硅電池能效所達到的記錄大約是26%的話，那么串聯(lián)鈣鈦礦-硅電池的記錄則是28%。也就是說，我們跨越了獨特的心理”障礙”，在認真談論把串聯(lián)電池的能效提高到30%–35%的可能性。

當一切發(fā)生時，革命將確實發(fā)生!主要興趣就與此有關!因此全世界有幾百個，或者也許，幾千個實驗室在開展這方面的工作，向研究和制造工業(yè)和半工業(yè)樣品投入巨資。

–是什么抑制了鈣鈦礦革命?

—在我看來，鈣鈦礦電池的主要不足之處是它們在太陽光線的作用下退化的相當快。

硅電池的服役年限是25年，而光電電池的服役年限則是24年。這是抑制這種技術進行工業(yè)應用的主要的不足之處。

我們試圖增加這些儀器的操作穩(wěn)定性(operation stability)。我們的任務是制造出把高效率與長久服役期限結合起來的電池。為此需要理解退化發(fā)生的物理-化學機制。

–除了硅和鈣鈦礦外，是否存在利用其它技術的太陽能電池?

—在實驗室層面存在許多利用各種半導體材料的此類技術，有機和無機，以及儀器結構的各種方案。長時間以來，許多技術的發(fā)展和工業(yè)應用都是同時進行。但今天在電力的工業(yè)生產層面上，基于硅的太陽能電池完全占主導地位。

–是什么讓普通人在太陽能電池中應用串聯(lián)技術：這可能更便宜還是更環(huán)保?

—確實，電力價格便宜了。從環(huán)保的角度看–一切并不是只有一個意思。光電成分中含鉛，而鉛不是元素周期表中的生態(tài)元素。因此現(xiàn)在嘗試替代結構中的鉛。但甚至是在今天的薄膜鈣鈦礦技術中，鉛含量比用鉛進行電池焊接的硅技術中的鉛含量。在我看來，這里最重要的問題也是電池的穩(wěn)定性。

–許多國家都在研究鈣鈦礦，并試圖利用鈣鈦礦。俄羅斯是否可以平等參與這項競賽?俄羅斯國立研究型技術大學”莫斯科鋼鐵與合金學院”在這里可能扮演何種角色?

—美蘇兩個國家曾經在光電太陽能電池的制造技術中處于領先地位。這無疑是由航天器供電的必要性決定的。1958年，在蘇聯(lián)發(fā)射首顆衛(wèi)星僅僅一年后，也就是在美國人首次展示硅太陽能電池四年后，蘇聯(lián)和美國都發(fā)射了太陽能電池供電的衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星分別是”3號衛(wèi)星”和先鋒1號衛(wèi)星。

蘇聯(lián)在創(chuàng)紀錄的短時間內建立起了光電產業(yè)。主抓這些研究工作的是阿爾卡季·巴甫洛維奇·蘭茨曼。我想，今天說出這個名字是公正的。當然，還有諾貝爾獎得主若列斯·伊萬諾維奇·阿爾費羅夫，在他的實驗中研究出了異質結和基于鎵的砷化物的多轉換太陽能電池。

在重建之后的俄羅斯，學院派科學和應用科學，以及技術集約型生產曾經經歷了嚴重的危機(也許危機仍在繼續(xù))。年輕人無法養(yǎng)活家人，他們或者應該轉變職業(yè)，或者離開祖國。

今日的科學是一個國際社區(qū)，根據定義是國際的。限制思想和人員從一個國家流動到另一個國家是不可能的。這方面的任何措施對科學來說都是有害的。

但創(chuàng)造條件使學者們重返俄羅斯是可能的，也是重要的。我看到了這方面的正面進展。首先是有助于吸引外國著名學者在俄羅斯建立先進科研實驗室的巨額資助計劃體系(Mega Grant)。

比如，俄羅斯國立研究型技術大學”莫斯科鋼鐵與合金學院”向世界級光電研究領先人物之一阿利多·迪·卡洛(Aldo Di Carlo)伸出了橄欖枝。他在3年內的任務是在這里建立鈣鈦礦太陽能電池研究和生產實驗室。我尤其喜歡這一點，因為我自己是1982年從莫斯科鋼鐵與合金學院畢業(yè)的，也正是從這里師從謝苗·薩姆伊洛維奇·戈列利克教授開始自己的光電研究事業(yè)的。

斯科爾科沃科技園( Skoltech)是俄羅斯巨額資助計劃體系(Mega Grant)其他的成功參與者。順便說一下，俄羅斯鈣鈦礦科學屆當之無愧的領軍人物、多年的同事和共同作者帕維爾·特羅申教授所領導的團隊就在那里工作。

我覺得，俄羅斯的主要潛力在大腦中，在智力水平上，首先是大學生和年輕學者的智力上。任務是保持這種潛力。否則不會成功建立實驗室，更不會成功發(fā)明新技術。

–鈣鈦礦技術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樣的鈣鈦礦技術?

— “鈣鈦礦”這個術語是因CaTiO3的名稱而出現(xiàn)的，今天我們把類似這種礦物結構的帶有晶格的許多材料都稱為鈣鈦礦。因此它們的通用性高，在各種不同領域內都有應用，比如，這就像詢問金屬用在哪里一樣。但其它儀器甚至是在那些應用在太陽能電池中的金屬-鹵族光電的基礎上建造的，比如：發(fā)光二極管、激光、各類傳感器。

–太陽照射不足的許多國家都認為，太陽能電池在他們國家的條件下是低效的。光電技術的應用是否將使這種情況發(fā)生變化?

—需要所謂直接太陽光的技術在北方國家不好用，因為云層的吸收和散射將極大降低陽光的強度。但還存在散射光。如果有許多鈣鈦礦，太陽能電池的運行狀況要好一些，但如果光少，太陽能電池仍然能夠運行。

現(xiàn)在太陽能電池變得如此廉價，它的使用在任何國家都將是有益的。而如果光電的想法成功得以實現(xiàn)，那么太陽能電池的能效將提高，那么這將更加有益。

本次采訪是在俄羅斯國立研究型技術大學”莫斯科鋼鐵與合金學院”舉行的第20屆”納米結構中的光-物質相關狀況物理”光導材料(PLMCN-2019)國際會議期間完成的。

原標題：太陽能電池如何變得更讓人用得起