在延迟了 170 年之后，1839 年在俄罗斯乌拉尔山脉发现的一种奇怪的金属外观岩石，点燃了一场全球技术竞赛，以开发更廉价、更高效的太阳能电池。它可能会严重颠覆目前由中国主导的世界太阳能市场。
对这种岩石特征的研究使人们认识到，其中涉及的不是特定的矿物，而是一类具有立方体和类金刚石形状的共同晶体结构的矿物。这种结构以俄罗斯矿物专家列夫·佩罗夫斯基的名字命名，他最早研究了这种结构。他于 1856 年去世。后来，研究人员发现，含有钙钛矿结构的矿藏在世界各地都很便宜且储量丰富。
但科学家们不确定如何利用它们，直到 2009 年，一位日本研究人员发现钙钛矿可以吸收阳光并将其转化为电能。它与制备的硅电池非常相似。只有钙钛矿电池选择了更强的阳光光子，并且有望比硅电池便宜得多，硅电池的制造需要 14 个步骤，包括需要使用高温、昂贵的自动化设备和洁净室的制备过程。
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材料和制造方面潜在的更低成本，催生了第一波商业钙钛矿企业，包括至少两家正在美国成立的企业。 他们的目标是开发能够挑战中国在全球太阳能市场的主导地位，并帮助制造业在全球范围内 распространиться 的产品。
“它的发展速度令人惊叹，”科罗拉多州博尔德市国家可再生能源实验室的化学家和高级科学家马修·比尔德说。该实验室是全球至少 20 个正在研究钙钛矿的研究中心和大学之一。
他说，虽然实验人员仍在努力解决钙钛矿太阳能电池的稳定性问题，到目前为止，这个问题导致钙钛矿太阳能电池的寿命比硅基太阳能电池短，但有一些方法可以克服这个问题。比尔德和其他 NREL 研究人员认为，这种新型晶体材料可能成为更具竞争力的美国工业以及随之而来的就业机会的基础。
目前，美国的太阳能产业——光伏 (PV) 电力的发明者——创造了 73,000 个美国就业岗位，据 NREL 称，其招聘速度比美国经济快 17 倍。
但是，经过六年为太阳能市场和产业提供慷慨政府补贴的金融冲刺，中国仍然遥遥领先。其硅基太阳能产品已经变得足够便宜和可靠，以控制全球 70% 的太阳能组件贸易。与此同时，斯坦福大学的一项新研究 (Climatewire, 3 月 22 日，https://www.eenews.net/climatewire/stories/1060051841/) 显示，美国约占 1%。
该研究还指出，钙钛矿太阳能电池“在过去四年中引起了太阳能研究人员的极大兴趣”，并且其将阳光能量转化为电能的效率——基于实验室实验——在短短三年内从 15% 飙升至 22% 以上，达到与中国制造的组件具有竞争力的水平。
柯达的转型
在接受 E&E 新闻采访时，NREL 的比尔德表示，这场即将到来的市场洗牌的一个“关键因素”是“可能比硅更便宜”。他指出，另一个因素是，像他这样的化学家看到了许多潜在的方法来调整钙钛矿电池以提高效率。
斯坦福大学和其他地方的研究人员正在开发的第三个新兴因素是，使用钙钛矿电池与商业硅电池“串联”工作，将它们结合在一起以快速提高其效率。
也许美国最具雄心的商业钙钛矿企业正在从柯达最初开发的机械设备中发展壮大——用薄涂层涂覆照相胶片，这些涂层纺出了数英里的对光敏感的赛璐珞胶片。柯达率先在世界照相胶片市场占据主导地位的高速“卷对卷”印刷技术，正被一家公司用于在塑料薄膜上涂覆一层薄薄的钙钛矿基材料。
一旦他的公司在一个类似车库的实验室中确定钙钛矿基电池可以工作，能源材料公司总裁兼首席执行官斯蒂芬·德卢卡就将其设在纽约州罗切斯特市的伊士曼商业园，原柯达公园，初创公司正在那里利用以前的柯达生产设施和建筑物开发新产品。
柯达曾经在那里雇佣了 15,000 人。德卢卡的公司可以使用其机器来开发制造最常见的太阳能产品——方形太阳能组件的制造工艺，这些组件安装在住宅、商店和工业屋顶上。
正如德卢卡解释的那样，该机械设备将加快制造用于将阳光转化为电能的基本钙钛矿材料的过程。然后，它将被赋予玻璃保护罩并封装起来，以防止水和其他物质。
“我想说的是，如果你正确地制造它们，它们是稳定的，”他说，并指出硅基太阳能组件也必须仔细制造和保护。“你必须关注与其他材料的相互作用。”
德卢卡说，据他所知，还没有公司开始大规模商业化使用钙钛矿制造组件。“我们还没有达到那个阶段，但我们正在扩大规模。”
但他充满希望，因为“你需要的设备比硅需要的设备便宜得多。这将使每瓦成本大大降低。”
德卢卡的公司与内布拉斯加大学机械与材料处理副教授黄劲松共同开发了该工艺。黄劲松领导着一个研究团队，该团队正在开发用于钙钛矿组件的低成本制造技术。
黄劲松获得了能源部和国家科学基金会的资助，他解释说，他的最终目标不是与硅组件竞争，而是制造一种足够便宜的产品来与煤炭和天然气等化石燃料竞争。
“硅太昂贵，无法与化石燃料和煤炭竞争，”他最近告诉内布拉斯加大学出版的Nebraska Today。“在太阳能电池能够被广泛采用之前，我们需要将成本降低一半，才能与其他能源竞争。”
黄劲松正在将其研究工作转移到北卡罗来纳大学，他估计，持续的开发可以将钙钛矿涂层薄膜的效率水平提高到 25%，“在三到五年内”。
钙钛矿添加到硅中
第二个美国商业企业是在去年夏天从斯坦福大学实验室剥离出来的。它名为 Iris PV，其常务董事科林·贝利认为，他的公司可以通过将钙钛矿太阳能电池与标准硅电池相结合，更快地获得更高的太阳能效率。串联工作时，这两个设备可以从阳光中提取更多电力。澳大利亚一家实验室最近宣布，这种阵列的效率达到了 26.4%。
他解释说，在七年内从低于 10% 跃升到这个效率水平，使钙钛矿成为历史上改进最快的光伏技术。“它肯定非常接近最好的硅所能达到的水平，”贝利说，他正在开发一种商业模式，旨在将串联组件作为通往更廉价太阳能的道路。
通过在他的实验室中制造钙钛矿电池，他希望生产一系列较小的、利基产品，例如用于为卫星供电的串联太阳能电池，以及响应美国军方对战场上更小、更轻的发电系统的需求。
如果这个项目成功，Iris PV 计划通过购买目前安装在屋顶上的廉价商业硅太阳能电池来重塑太阳能组件行业。该公司将通过插入第二层钙钛矿材料来完成组件的制造，这层薄涂层印刷在玻璃面板上，将作为串联太阳能电池的外部封装。贝利认为，这两层协同工作将与商业市场上最高效的硅电池竞争，而成本仅为其一小部分。
最终产品，在一个小型、相对简单的组件工厂进行包装，该工厂位于组件安装地点附近，这将是一个“双赢”的主张。正如贝利解释的那样，它们将帮助太阳能组件制造商与化石燃料竞争，为面板安装商提供更便宜的产品进行销售，并帮助在美国和世界各地推广不断发展的太阳能产业。
“那是我们的长远愿景，”贝利说。
还有其他参与者也持有类似的钙钛矿驱动的全球太阳能电力业务愿景。其中一家是牛津光伏有限公司，该公司是从英国牛津大学剥离出来的，最近与一家太阳能电池板制造商达成协议，在德国开设一家生产钙钛矿驱动太阳能电池板的商业设施。
该合资企业已吸引了挪威国家石油公司 Statoil ASA 子公司 Statoil Energy Ventures 的财务支持，Statoil ASA 是世界上最大的石油和天然气生产商之一。
该子公司董事总经理加雷思·伯恩斯表示，该公司希望用“盈利的可再生能源”来补充其石油和天然气投资组合。他在一份新闻声明中将该合资企业描述为“一个很好的机会，可以参与一项有可能影响下一代太阳能电池的技术开发。”
经 E&E 新闻许可，转载自 Climatewire。E&E 在 www.eenews.net 上提供每日重要的能源和环境新闻报道。