搅局者钙钛矿

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发布时间:2022-07-27

 【能镜原创】

A。引子

2013年,科学界关于钙钛矿研究的浪潮刚起,有一天,几位年轻科学家在一起聊天,说到钙钛矿的终局,其中一位半开玩笑半认真——

那是一个理想世界,人们通过简单涂布钙钛矿材料就能轻松获取和转化太阳能量,世界清洁明亮,而他已垂垂老矣、儿孙绕膝,冶炼晶硅、制做切片太阳能电池已是人类久远的往事,被他时不时当成故事和笑话,讲给自己的孙辈听。

这个描述太有画面感,它像某种预言,带着理想和希望,从实验室沉静的瓶瓶罐罐里咕嘟咕嘟翻腾出来,流淌进尚未知晓的生活里。

是的,尽管这年美国《科学》(Science)杂志将钙钛矿评为年度十大科学突破之一,并为它打上「新一代太阳能电池材料」的标签,但在晶硅统治的光伏世界,尚未迈出实验室的钙钛矿,在大众视野里,依然是个无名之辈。

但科学界显然已经嗅到这个「无名之辈」未来的「明星潜质」。

就在Science给予钙钛矿「名份」的头一年,韩国成均馆大学的朴南圭(Nam-Gyu Park)、瑞士洛桑联邦高等理工学院光子学和界面实验室主任米夏埃尔•格雷策尔(Michael Grätzel)和英国牛津大学教授亨利·斯奈斯(Henry Snaith)取得一项重要进展。

他们将钙钛矿太阳能电池的液态电解质替换为固态电解质,转换效率从3年前日本科学家宫坂力(Tsutomu Miyasaka)发现的3.8%一下跃升至10%。

这个结果令人振奋。

✪  从左至右分别为:宫坂力、朴南圭、米夏埃尔•格雷策尔(Michael Grätzel)、亨利·斯奈斯(Henry Snaith)。

提高太阳能利用效率,是科学家们永恒的课题。但自打问世于1954年的单晶硅太阳能电池技术,将晶硅推向光伏世界的王位,并在此后多年,试图以它的「权杖」碰触29.43%的理论极限效率而屡屡未果,这个领域,就再也不曾出现撼动它的革命性技术和创新性材料。

而这次跃升,似乎在宣告实验室合成的钙钛矿晶体,正拥有某种打破沉寂、通往光明彼岸的力量,中、韩、日、美、英、瑞士等国的多个顶级院校重点实验室,开始摩拳擦掌,准备借由它,迎接汹涌而至的未来。

也是在这一年,中国厦门。博士期间师从米夏埃尔•格雷策尔的范斌和他清华大学化学系同班同学田清勇、白华,决定将创办于2010年的惟华光能转向钙钛矿研究。

此前,他们正沿着有机太阳能电池方向进行探索,导师团队的新进展,让范斌隐约觉得,一个新材料新技术改变世界的机会正在降临。他们像被机会选中的孩子,一伸手,抓住了它,却并不知晓,在未来很长一段时间里,他们将孤独地捍卫着理想,并几度挣扎在生存的边缘。

9年后,全球气候危机和双碳趋势,为新能源领域效率增长的迫切性加码,捱过艰苦岁月、被光伏巨头协鑫纳入麾下,并更名为昆山协鑫光电的惟华光能,不再独自于商业世界闯荡。

他们成为资本市场疯抢的头牌,身后奔跑着近20家追赶者和竞争者,身旁,隆基、晶科、通威、天合、凯辉、宁德时代、腾讯等一众知名龙头、VC和产业资本陆续入场。

被资本之手和商业热望日渐搅沸的钙钛矿太阳能电池,开始被置于愈来愈亮的聚光灯下,其公众面目,也变得日渐清晰。

B。被命运选中

过去10年,围绕钙钛矿太阳能电池所发生的一切,简直像一出令人大开眼界的大戏——

蛰伏已久的新材料,在晶硅统治的世界里,从一浪又一浪的质疑声里钻出来,带着某种新工业英雄主义的色彩,哒哒哒哒,只用了10年时间,就走完了晶硅40年才抵达的境界——将实验室转化率从3.8%提升至25%甚至更高,并开向超过30%的新目标狂奔而去。

但它的历史,却是一个长得多的故事。如果一定要往源头追溯钙钛矿太阳能电池的缘起,1839年可能是个有趣的交合点。

这一年,德国矿物学家古斯塔夫·罗斯(Gustav Rose)探险俄罗斯乌拉尔山,在那里,天然矿物钛酸钙(CaTiO3)晶体第一次地展现在科学家眼前。

为向地质学家Lev Perovski致敬,Gustav Rose遂将其命名为Perovskite(钙钛矿),尽管后来应用于太阳能电池的钙钛矿材料与之相比,已是天壤之别,但这个此「矿」非彼矿的名字,成为满足ABX3化学式、与钛酸钙拥有相似晶体结构化合物的统称。

也是这一年,19岁的法国男孩亚历山大·贝克雷尔(Alexandre Becquerel),协助父亲研究光波照射电解池所产生的变化,他偶然发现,光照能使半导体材料不同部位之间产生电位差,光伏效应随即问世。

但这两个同年诞生的新发现,一出生便进入了蛰伏期,它们像两个角儿,早早前来候场,但离真正登台,却还要等上百年。

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