這家試點工廠屬于英國牛津大學(xué)校辦公司牛津光伏(Oxford PV)。自2012年起，該公司便致力于鈣鈦礦晶體太陽能電池的商業(yè)化。10年前，日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力(Tsutomu Miyasaka)研究小組宣布首批鈣鈦礦太陽能電池問世。但是這些早期的實驗室原型非常不穩(wěn)定，效能僅有3.8%。
后來，研究人員和制造商在效能方面取得了巨大進步，并解決了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴展性問題。例如，2018年6月，牛津光伏公布了其里程碑式的最新效率，達到27.3%。相比之下，當前的硅太陽能電池光伏效率的最好紀錄是26.7%，而商用硅電池組件的效率還要低得多。
目前，該公司正著手推出全球首個商用疊層硅-鈣鈦礦太陽能電池組件，將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅太陽能設(shè)備相結(jié)合。牛津光伏首席技術(shù)官克里斯•凱斯(Chris Case)表示，太陽能組件的外觀和性能與傳統(tǒng)硅太陽能電池組件非常相似。主要的不同在于，它們產(chǎn)生的光電效率更高，會產(chǎn)生更多電量。
鈣鈦礦太陽能產(chǎn)業(yè)7年前尚不存在，而今天其發(fā)展已十分引人注目。現(xiàn)在，有幾十家公司競相將此技術(shù)推向市場。全球數(shù)百名研究人員正在研究新型鈣鈦礦材料和處理方法，研究如何使設(shè)備工作。凱斯認為2018年關(guān)于鈣鈦礦的學(xué)術(shù)論文數(shù)量有望突破5000篇(包括有關(guān)鈣鈦礦光電探測器、X射線探測器和發(fā)光二極管的報告)。
短短10年間，鈣鈦礦已經(jīng)從刁鉆、低效的實驗產(chǎn)品發(fā)展為達到或超越傳統(tǒng)太陽能電池性能的商業(yè)級產(chǎn)品。除有機發(fā)光二極管、染料敏化或量子點太陽能電池外，沒有其他太陽能光伏技術(shù)可以與之相媲美。
凱斯稱：“目前我們正處于歷史的轉(zhuǎn)折點。現(xiàn)在，在全球大多數(shù)地方，無補貼的太陽能發(fā)電成本低于其他任何形式的發(fā)電。”他認為鈣鈦礦將確保太陽能的主宰地位。
“阻止不了。即便是全球最大的石油公司也無法阻止它。”
鈣鈦礦的誘人之處是，在將光子轉(zhuǎn)化為電能方面比硅更為優(yōu)越。
科羅拉多州戈爾登國家可再生能源實驗室鈣鈦礦太陽能團隊負責人約瑟夫•貝瑞(Joseph Berry)說：“我的一個同事喜歡說，如果你要選擇一種理想的太陽能材料，你絕不會選硅。(硅)能成為一種重要材料，是因為所有研發(fā)資金都投資于硅(用于集成電路和太陽能)。”
貝瑞稱：“高純度無瑕疵的硅才具備我們垂涎的特性。鈣鈦礦能夠容忍瑕疵的存在。我們無須精心處理材料就可獲得極具競爭力的產(chǎn)品效能。”鈣鈦礦還可用于各種低成本的生產(chǎn)方法，包括旋涂和卷對卷印刷。美國國家可再生能源實驗室的研究人員甚至開發(fā)出一種可作畫的鈣鈦礦墨水。
貝瑞預(yù)測，如果建造一座10億瓦規(guī)模的鈣鈦礦太陽能電池廠，最終成本大約是目前建造一座類似規(guī)模硅太陽能電池工廠的1/10。最終產(chǎn)品柔韌且近乎透明，因此專家設(shè)想可使用它們作為窗玻璃和建筑物的噴涂涂層。
鈣鈦礦最初是指含鈣、鈦和氧的礦物，于1839年首次被發(fā)現(xiàn)。此后，鈣鈦礦指代一大類具有與此類礦物相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物。其化學(xué)成分簡寫為AMX3，其中A通常代表有機分子，M代表金屬(如鉛或錫)，X代表鹵素(如碘或氯)。桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂研究團隊用化合甲基銨三碘化鉛制成了首個鈣鈦礦電池。但牛津光伏的凱斯認為，成千上萬種化合物都可以形成這種晶體結(jié)構(gòu)。
無論化學(xué)性質(zhì)如何，鈣鈦礦太陽能電池都必須滿足3個基本商業(yè)化標準：穩(wěn)定性、效能和可量產(chǎn)。凱斯稱，他的公司將硅薄膜和鈣鈦礦組合成“疊層”電池，解決了上述3個問題。這種電池可以使用目前的太陽能電池片制造方法生產(chǎn)。
早在2012年公司開始研究鈣鈦礦時，牛津光伏就瞄準了可以涂在玻璃上，用于窗戶和其他建筑構(gòu)件的純鈣鈦礦產(chǎn)品。凱斯稱：“這是一個杰出的創(chuàng)意，但我們意識到步入商業(yè)化可能還需要5到10年。我們力求縮短交付時間。”
當陽光進入牛津光伏的疊層電池時，光子穿過透明電極層，抵達鈣鈦礦層，鈣鈦礦層吸收較短的波長(趨向于光譜的藍色端)。未被吸收的光子穿過一個稀薄結(jié)合層，遇到吸收較長波長的硅層。最終，更多的可用光被電池吸收。
凱斯解釋道：“要制造出效能為26%甚至30%的疊層電池，只需要效能15%到17%的鈣鈦礦層，外加效能為20%的普通硅層。”
