在位于德国哈弗尔河畔勃兰登堡郊区的一家工厂，适合兔子的技术人员正在制造未来。他们组装成扁平模块的闪亮薄薄的方块有望超越市场上最好的太阳能电池板。
这家试点工厂由英国牛津大学的牛津PV- a衍生公司所有- 自2012年以来，该公司一直致力于将一种名为钙钛矿的水晶制成的太阳能电池商业化。在第一钙钛矿型太阳能电池公布 10年前，由研究小组勉宫坂在桐荫大学，在横滨。但那些早期的实验室原型非常不稳定，效率仅为3.8%。
从那时起，研究人员和制造商在效率方面取得了陡峭的进步，他们也解决了设备的稳定性和可扩展性问题。例如，去年12月，Oxford PV发布了其最新的效率里程碑，即 28%。相比之下，硅光伏发电的当前记录为26.7%，商业硅面板效率低得多。
现在，该公司正准备推出世界上第一个商用串联硅 – 钙钛矿太阳能电池组件，它将钙钛矿材料的薄膜层与硅太阳能装置结合在一起。牛津PV的首席技术官Chris Case表示，太阳能电池组件的外观和行为与传统的硅太阳能电池板非常相似。主要区别在于它们产生更多动力。
使这些发展如此引人注目的是，就在七年前，钙钛矿太阳能产业甚至还没有存在。现在，有数十家公司正在争相将这项技术推向市场。全世界数百名研究人员正在研究新的钙钛矿材料和加工方法，并完善他们对器件工作原理的理解。据媒体报道，截至发稿时，有关钙钛矿的学术论文数量有望达到2018年的前5,000名(尽管这一数字还包括有关钙钛矿作为光电探测器，X射线探测器和LED的报告)。
在短短10年间，钙钛矿已从繁琐的低效实验设备转变为符合或超过传统太阳能电池性能的商业级产品。没有其他太阳能光伏技术 – 不是OLED，染料敏化或量子点太阳能电池 – 相比。
凯斯说：“我们处于历史的中断点。” “现在，在世界上大多数地方，没有补贴的太阳能光伏发电比任何其他形式的发电都便宜。”他表示，钙钛矿将确保太阳能的征服。
“你无法阻止它。你可以成为世界上最大的石油公司，但你不能阻止它。“
钙钛矿如此吸引人的原因是材料在将光子转化为电能方面比硅好得多。
“我的一个同事喜欢说，如果你正在寻找太阳能的理想材料，你永远不会挑硅，说：” 约瑟夫·贝里，谁领导的钙钛矿太阳队在可再生能源实验室(NREL)，中金， Colo。“[硅]成为如此主导的材料的原因与用于集成电路和太阳能的总体研发费用有关。”
“硅必须是纯净的，完美的才能拥有我们所羡慕的特征，”贝瑞说。“钙钛矿具有缺陷耐受性。我们可以很好地处理这种材料，并且仍能获得具有竞争力的设备效率。“钙钛矿还适用于各种低成本生产方法，包括旋涂和卷对卷印刷。NREL的研究人员甚至开发了一种可以涂上钙钛矿墨水。
Berry预测，为钙钛矿太阳能电池组件建造千兆瓦规模的工厂最终将花费现在建造类似硅太阳能电池板工厂的成本的十分之一。最终产品可以是柔性的，几乎是透明的，因此专家们设想将它们用作窗户玻璃和建筑物的喷涂涂料。
钙钛矿最初是指含有钙，钛和氧的矿物，最初于1839年被发现。这个词后来包含了一大类与矿物具有相同晶体结构的化合物。它们的化学组成用速记AMX3描述，其中A通常是有机分子，M是金属(如铅或锡)，X是卤素(如碘或氯)。在Toin大学的Miyasaka团队使用复合甲基铵三碘化铅作为其第一个钙钛矿细胞。但根据Oxford PV的案例，有数十万种化合物可以形成这种晶体结构。
无论化学性质如何，任何钙钛矿太阳能电池都必须满足商业化的三个基本标准：稳定性，效率和可扩展性。凯斯表示，他的公司已经通过将硅薄膜和钙钛矿薄膜结合成一个“串联”电池来解决这三个问题，该电池可以使用与当今太阳能电池板相同的制造方法生产。
早在2012年，当公司开始研究钙钛矿时，牛津PV的目标是纯钙钛矿产品，可以涂在玻璃上，用作窗户和建筑物的其他组件。“这仍然是一个好主意，但我们意识到商业化的道路可能需要5到10年，”凯斯说。“我们专注于在更短的时间内实现目标。”
当太阳光进入牛津PV的串联电池时，光子穿过透明电极层，然后撞击钙钛矿层，该层以比硅更短的波长吸收，朝向光谱的蓝端。然后，未被吸收的光子穿过薄的结层并遇到硅层，硅层吸收稍长的波长。最终结果是更多的可用光被细胞吸收。
“为了制造效率为26%甚至30%的串联电池，你只需要一个15%到17%的钙钛矿层，加上普通的硅层，效率为20%，”凯斯解释道。
牛津PV在追求串联钙钛矿方面远非孤军奋战。其他参与者包括的东芝和松下以及斯坦福分拆的Tandem PV。与此同时，许多公司继续押注纯钙钛矿太阳能电池：波兰的Saule Technologies，的Wonder Solar和Microquanta Semiconductor，以及的启动能源材料公司(EMC)。
EMC并没有成为钙钛矿太阳能公司。EMC最初的创始人兼首席执行官Stephan DeLuca说：“最初，我们总部设在亚特兰大，开发了一种称为光学天线的东西，这种方式将光转换成电能。” 大约三年前，他说，“我们意识到商业化的道路将会很长。”那时，EMC转向太阳能钙钛矿。
该创业公司的重点是将钙钛矿电池的卷对卷加工商业化。“如果你想让这些东西以低成本与硅竞争，你就必须快速完成，”DeLuca说。“我们的目标是使用1.5米宽的滚动速度，每分钟50米。这就是你需要扩大规模的速度。“
正如牛津光伏和其他公司所做的那样，使用真空沉积意味着“你需要煮半小时的胶片，因此扩大规模更具挑战性，”DeLuca声称。他补充说，建立一个基于卷对卷加工的钙钛矿太阳能工厂应该比基于传统硅技术的太阳能工厂便宜得多。
几年前，EMC搬迁到纽约州罗彻斯特，以利用Eastman Kodak提供的合同制造设施。目前，EMC的设备有五层，卷对卷机器一次性布局。
EMC的钙钛矿电池基于由Jinsong Huang及其团队在北卡罗来纳大学教堂山分校开发的设备架构。“这个领域的大多数人都使用所谓的NIP结构，”Huang说，指的是一层负掺杂(或n型)材料位于顶部的器件，其中有一层未掺杂的“内在”材料。底部的中间和正掺杂(或p型)材料。NIP结构的一个缺点是它们需要约200℃的制造温度，这增加了它们的成本并限制了可用于制造它们的方法。
EMC的设备是PIN结构，顶部是p型材料。“我们发现它们工作得更好，可以使用室温工艺制造，”包括卷对卷印刷。“这绝对是你能想到的最快的方法，”黄说。“已经有很多供应商制造像聚合物薄膜这样的产品。你不需要重新发明每件设备。“
尽管有巨大的收益和激烈的活动，一些太阳能研究人员仍然对钙钛矿的潜力持怀疑态度。在最近的PV杂志采访中，澳大利亚太阳能先驱Martin Green指出“必须解决各种不稳定因素”，包括对水分，氧气甚至光线的敏感性。
“很难看到硅制造商采用的产品效率更高，但其基准产品的稳定性不同 – 因为没有制造商希望在稳定性方面获得不好的声誉; 事实上，它可能是致命的，“格林引述说。
EMC的DeLuca说并非所有的钙钛矿都有这个缺陷。“某些钙钛矿配方和器件堆栈的不稳定性报告对材料的理解非常重要，但也导致人们误认为钙钛矿作为一类材料都是相同的 – 也就是说，它们都是不稳定的，”德卢卡。误解的部分原因可能是甲基铵三碘化铅仍然是学术研究人员广泛使用的一种不稳定化合物。“正确选择钙钛矿材料和构成器件叠层的其他层可以产生稳定的器件。”
Case表示，Oxford PV的电池经过精心设计，已经通过了标准光伏组件的每一次主要加速寿命测试。该公司将在2019年推出首批模块，并与一家尚未命名的“硅太阳能电池和模块的主要制造商”合作。
9月，该公司与牛津大学共同启动了一项价值500万英镑(640万美元)的为期五年的联合研究项目，旨在实现37%的效率。如果该计划取得成功，其结果将是太阳能模块，其功率转换能力几乎是当今商品面板的两倍。即使牛津PV没有达到这个标准，另一家公司可能会。
对于他而言，NREL的Berry表示，重要的是不要通过将产品推向市场并且尚未经过全面审查来抢购技术。
“当我们开始时，我不是一个真正的信徒，”贝瑞说。“我认为，如果有一个致命的缺陷，让我们杀死它并继续前进。四年后，我认为这项技术真正有机会改变世界。这不是你每天都有机会，而且你当然不想搞砸了。