一項(xiàng)新研究表明，全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有望提高太陽(yáng)能電池的效率。有機(jī)-無機(jī)混合鈣鈦礦已經(jīng)顯示出超過25%的非常高的光伏效率。該領(lǐng)域的主流觀點(diǎn)是，材料中的有機(jī)（含碳和氫）分子對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一令人印象深刻的性能至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為可以抑制缺陷輔助的載流子重組。

　　加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校材料系的新研究不僅表明這一假設(shè)是不正確的，而且還表明全無機(jī)材料有可能超過混合鈣鈦礦。該研究結(jié)果發(fā)表在《全無機(jī)鹵化物鈣鈦礦作為高效太陽(yáng)能電池的候選材料》一文中，該文章將出現(xiàn)在2021年10月20日的《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》雜志的封面。

　　“為了比較這些材料，我們對(duì)重組機(jī)制進(jìn)行了全面的模擬，”該研究的首席研究員Xie Zhang解釋說。“當(dāng)光照在太陽(yáng)能電池材料上時(shí)，光產(chǎn)生的載流子產(chǎn)生電流；缺陷處的重組破壞了其中一些載流子，從而降低了效率。因此，缺陷是效率的‘殺手’。”

　　為了比較無機(jī)和混合鈣鈦礦，研究人員研究了兩種原型材料。兩種材料都含有鉛和碘原子，但在一種材料中，晶體結(jié)構(gòu)是由無機(jī)元素銫完成的，而在另一種材料中，存在著有機(jī)甲基銨分子。

　　在實(shí)驗(yàn)中理清這些過程是極其困難的，但是先進(jìn)的量子力學(xué)計(jì)算可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)重組率，這要?dú)w功于UCSB材料教授Chris Van de Walle小組開發(fā)的新方法，他認(rèn)為該小組的一名高級(jí)研究生Mark Turiansky幫助編寫了計(jì)算重組率的代碼。

　　Turiansky說：“我們的方法對(duì)于確定哪些缺陷會(huì)導(dǎo)致載流子損失非常有力。看到該方法被應(yīng)用于我們這個(gè)時(shí)代的關(guān)鍵問題之一，即有效地產(chǎn)生可再生能源，這是令人興奮的。”

　　運(yùn)行模擬顯示，這兩種材料的共同缺陷引起了可比的（和相對(duì)無害的）重組水平。然而，混合鈣鈦礦中的有機(jī)分子可以分解；當(dāng)氫原子損失發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的“空位 ”會(huì)強(qiáng)烈地降低效率。因此，該分子的存在對(duì)材料的整體效率來說是一種損害，而不是一種資產(chǎn)。

　　那么，為什么這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中沒有被注意到呢？主要是因?yàn)樯L(zhǎng)高質(zhì)量的全無機(jī)材料層比較困難。它們有采用其他晶體結(jié)構(gòu)的傾向，而促進(jìn)所需結(jié)構(gòu)的形成需要更大的實(shí)驗(yàn)努力。然而，研究表明，實(shí)現(xiàn)首選結(jié)構(gòu)是絕對(duì)可行的。盡管如此，這種困難還是解釋了為什么迄今為止全無機(jī)鈣鈦礦沒有得到那么多的關(guān)注。

　　Van de Walle總結(jié)說：“我們希望我們關(guān)于預(yù)期效率的發(fā)現(xiàn)將刺激更多針對(duì)生產(chǎn)全無機(jī)鈣鈦礦的活動(dòng)。”