来源：环球零碳
摘要：
随着下一代太阳能电池板和更实惠的钛的出现，可再生能源的未来从未如此令人兴奋。
撰文 | Penn
编辑 | Tang
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自 1883 年纽约发明家查尔斯·弗里茨 (Charles Fritts) 发明第一个太阳能电池以来，太阳能技术已经取得了长足的进步。
弗里茨的装置效率不高，只能将吸收的阳光中微量的阳光转化为电能，大约 1% 到 2%。从硅基太阳能电池到化合物薄膜太阳能电池，再到新型太阳能电池，光伏技术已经发展到了第三代。目前，通常以硅为基础的太阳能电池平均可以将其吸收的阳光中约 22% 转化为电能。
作为第三代太阳能电池的代表技术之一，钙钛矿电池因其效率提升速度快且潜力大而备受瞩目，也被视为太阳能电池领域的“规则改变者”。但是现在，钙钛矿电池迎来了一个新的强力挑战者——钛基太阳能电池。
最近，日本科学家研发出了首款利用钛制造的太阳能电池板，这项技术可能比传统电池的功率高出 1000 倍。通过利用二氧化钛和硒的独特属性，这种创新方法不仅大幅提高了效率，还有潜力彻底改变整个太阳能发电行业。
图说：新型太阳能电池板功率提升 1000 倍
来源：Earth.com
传统太阳能电池板使用硅基材料，而日本的新技术则涉及使用钛和硒层的光伏电池。新的钛硒电池板已被证明效率更高，这要归功于一种先进的制造工艺，可以精确控制这些材料之间的相互作用。
研究人员发现，通过减少碲对硒结构的负面影响，二氧化钛层和硒层之间的附着力可以得到改善；通过增强二氧化钛层和硒层之间的粘附力，可以提高能量转换效率，进而能够从相同数量的阳光中产生更多的电力。
日本科学家在《太阳能材料与太阳能电池》杂志上向世界介绍了这项技术。通常情况下，碲（Te）在二氧化钛（TiO2）/硒（Se）界面附近的积累导致分流电阻不足，进而导致暗漏电流增加。同时，系统制备精确、均匀的亚纳米碲薄膜也是一项艰巨的任务。
为了突破这些限制，日本科学家提出了一种新技术，通过在二氧化钛窗口层上对堆叠的 1st-Se/Te/2nd-Se 前体进行后退火来形成硒吸收层。通过实验，科学家们改善了二氧化钛层和硒层之间的粘附性，并提高二氧化钛/硒异质结光伏器件的功率转换效率。
图说：二氧化钛/硒光伏器件的结构：(a)横截面结构，(b)图案布局和(c)光接收区域的顶视图和放大照片
来源：Solar Energy Materials and Solar Cells
钛具有极强的抗腐蚀性能和耐用性，但它有一个问题，那就是它的生产成本相当昂贵。由于钛和氧之间的强亲和力严重阻碍了其广泛应用，它仅限于航空航天和医疗领域，因为从矿物中提取钛的成本非常高，耗能也很大。
但如果这种情况即将改变，情况会怎样？这就是科学家发挥创新作用的地方，因为在钛硒电池板研究的基础上，它们开发出了新的方法来生产钛，同时降低其成本。
东京大学的科学家们如今设计了一种提取工艺，可能终于打破了钛的成本障碍，并使其在众多应用中更具可及性，包括太阳能。这项研究结果发表在《自然通讯》上，其影响深远，不仅涉及可再生能源行业，还涉及使用钛的其他领域。
“工业大规模生产铁和铝金属——但不生产钛金属，因为从矿石中去除氧的成本过高，”该研究的主要作者 Toru H. Okabe 解释说。“我们采用一种基于稀土金属的创新技术，按质量计将钛中的氧含量降低至 0.02%。”
图说：从熔融钛中直接生产低氧浓度钛
来源：nature communications
具体来说，东京大学的科学家们引入了一种高通量技术，可有效将熔融钛中的氧含量降低到适合结构材料应用的水平。该技术旨在通过无缝集成精炼、熔化和铸造工艺来简化钛的大规模生产，所开发的方法利用了钇 (Y) 等稀土金属对氧的高亲和力。
该技术能够将氧化钛原料直接转化为低氧钛，而无需转化为中间化合物。此外，该工艺还为高氧含量钛废料直接升级回收为低氧含量钛提供了途径，有望大幅降低钛的生产成本，从而促进钛的广泛应用。
研究人员使熔融钛与稀土元素钇金属发生反应，生产出一种低成本的、脱氧的钛合金。尽管新工艺成本效益更高，但目前钇也存在其缺点。
钇在用于净化钛时显然具有巨大的价值，但也存在一个问题，因为最终产品中钇的含量可达 1%，留下微小的杂质，这可能会影响钛的耐用性和抗腐蚀性。这些影响可能对电子和航空航天等行业构成重大挑战。
图说：直接从高氧钛原料生产低氧浓度钛而无需转化为中间化合物的工艺图
来源：nature communications
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