據(jù)美國麻省理工學(xué)院新聞辦公室戴維·錢德勒（David L. Chandler, MIT News Office）2021年2月24日提供的消息，該校研究人員提高了下一代太陽能電池材料的效率，減少內(nèi)部損耗，可以為與硅電池輸出匹配的低成本鈣鈦礦型光伏產(chǎn)品鋪平道路。

鈣鈦礦是最終替代硅作為太陽能電池板首選材料的領(lǐng)先候選者。它們?yōu)榈统杀尽⒌蜏刂圃斐�薄、輕巧的柔性電池提供了潛力，但到目前為止，它們在將太陽光轉(zhuǎn)化為電能方面的效率已經(jīng)落后于硅和其他一些替代品�，F(xiàn)在，一種新的鈣鈦礦電池設(shè)計(jì)方法已經(jīng)推動該材料達(dá)到或超過當(dāng)今典型硅電池的效率，后者通常在20％~22％的范圍內(nèi)，為進(jìn)一步改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

通過在鈣鈦礦材料上添加經(jīng)過特殊處理的二氧化錫導(dǎo)電層，為電池中的載流子提供了一條改善的途徑，并且通過修改鈣鈦礦的配方，研究人員將其作為太陽能電池的整體效率提高到25.2％，此類材料的近紀(jì)錄，使許多現(xiàn)有太陽能電池板的效率黯然失色。不過與硅相比，鈣鈦礦的壽命仍顯著落后，但是，世界各地的團(tuán)隊(duì)都在努力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

最近MIT的2020屆博士生Jason Yoo（現(xiàn)在韓國化學(xué)技術(shù)研究所，Korea Research Institute of Chemical Technology）、化學(xué)教授和萊斯特·沃爾夫（Lester Wolfe）教授與芒吉·巴文迪（Moungi Bawendi），還有來自MIT電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系、化學(xué)系的研究人員以及美國喬治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）、韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）、韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究所（Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST）、韓國成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）的研究人員合作完成的新研究成果，于2021年2月24日已經(jīng)在《自然》（Nature）雜志網(wǎng)站發(fā)表——Jason J. Yoo, Gabkyung Seo, Matthew R. Chua, Tae Gwan Park, Yongli Lu, Fabian Rotermund, Young-Ki Kim, Chan Su Moon, Nam Joong Jeon, Juan-Pablo Correa-Baena, Vladimir Bulović, Seong Sik Shin, Moungi G. Bawendi, Jangwon Seo. Efficient perovskite solar cells via improved carrier management. Nature, 2021, volume 590, pages587–593. DOI: 10.1038/s41586-021-03285-w. Published: 24 February 2021

鈣鈦礦是一類廣泛的材料，因?yàn)樗鼈兙哂信c天然礦物鈣鈦礦類似的特定種類的分子排列或晶格這一事實(shí)而得名�？梢援a(chǎn)生鈣鈦礦的化學(xué)組合物種類繁多，Jason J. Yoo解釋說，這些材料引起了全世界的關(guān)注，因?yàn)椤爸辽僭诶碚撋�，它們的制造價(jià)格可能比硅或砷化鎵便宜得多”，使其成為其它主要競爭者之一。部分原因是因?yàn)榧庸ず椭圃爝^程更加簡單，對于硅或砷化鎵，需要持續(xù)超過1000 ℃的熱量。相反，鈣鈦礦可以在低于200 ℃的溫度下以溶液或氣相沉積的方式進(jìn)行處理。

鈣鈦礦相對于硅或許多其他候選替代品的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以形成非常薄的層，同時(shí)仍然有效地捕獲了太陽能。Moungi G. Bawendi說：“與硅相比，鈣鈦礦電池具有重量輕的潛力�！�

鈣鈦礦的帶隙比硅高，這意味著它們吸收光譜的不同部分，因此可以補(bǔ)充硅電池，從而提供更高的綜合效率。但是，即使僅使用鈣鈦礦，Jason J. Yoo表示：“我們要證明的是，即使只有一個(gè)活性層，我們也可以使效率威脅到硅電池，并且有望達(dá)到砷化鎵的轉(zhuǎn)化效率，而且這兩種技術(shù)的存在時(shí)間都比鈣鈦礦長得多�！�

Moungi G. Bawendi解釋說，我們團(tuán)隊(duì)提高材料效率的關(guān)鍵之一，是對構(gòu)成鈣鈦礦型太陽能電池的三明治結(jié)構(gòu)的一層-電子傳輸層-進(jìn)行精確的工程設(shè)計(jì)。鈣鈦礦本身上鋪有一層透明導(dǎo)電層，該透明​​導(dǎo)電層用于將電流從電池傳輸?shù)娇梢允褂玫奈恢�。但是，如果�?dǎo)電層直接附著在鈣鈦礦本身上，則電子及其對應(yīng)物（稱為空穴）會在某處簡單地復(fù)合，并且沒有電流流動。在研究人員的設(shè)計(jì)中，鈣鈦礦和導(dǎo)電層被一種改進(jìn)類型的中間層隔開，該中間層可以使電子通過，同時(shí)防止復(fù)合。

中間電子傳輸層，尤其是與它每一側(cè)的層連接的界面，往往是效率低下的地方。通過研究這些機(jī)理并設(shè)計(jì)出一層由氧化錫組成的層，使其與相鄰層更加完美地貼合，研究人員能夠大大降低損耗。

他們使用的方法稱為化學(xué)浴沉積（chemical bath deposition）�！斑@就像在慢燉鍋(Crock-Pot)中慢煮一樣，”Moungi G. Bawendi說。在90 ℃的水浴中，前體化學(xué)物質(zhì)會緩慢分解，形成適當(dāng)?shù)亩�氧化錫層。“研究小組意識到，如果我們了解了這些前體的分解機(jī)理，那么我們將對這些膜的形成有更好的了解。我們就能夠找到合適的窗口，在其中可以合成具有理想性能的電子傳輸層�！�

經(jīng)過一系列受控實(shí)驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)根據(jù)前體溶液的酸度，會形成不同的中間體化合物混合物。他們還確定了前體組合物的最佳位置，該組合物可以使反應(yīng)產(chǎn)生更有效的膜。

研究人員將這些步驟與鈣鈦礦層本身的優(yōu)化相結(jié)合。他們在鈣鈦礦配方中使用了一組添加劑來改善其穩(wěn)定性，該穩(wěn)定性已在之前進(jìn)行過嘗試，但對材料的帶隙影響不佳，從而使其吸收劑的效率降低。研究小組發(fā)現(xiàn)，通過添加較少量的這些添加劑（<1％），它們?nèi)匀豢梢栽诓桓淖儙�隙的情況下獲得有益的效果。

Jason J. Yoo說，由此帶來的效率提高已經(jīng)使這種材料的理論效率達(dá)到了該材料所能達(dá)到的理論最大效率的80％以上。盡管這些高效率在小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備中得到了證明，但Moungi G. Bawendi說：“我們在論文中提供的這種見解，以及我們提供的一些技巧，有可能應(yīng)用于人們目前正在開發(fā)的大規(guī)模、可制造鈣鈦礦電池的方法，從而提高效率�！彼�說，在進(jìn)一步開展研究時(shí)，有兩個(gè)重要途徑：繼續(xù)努力提高效率，并專注于提高材料的長期穩(wěn)定性，與硅電池幾十年來相比，目前這種材料的使用壽命為數(shù)月。但是，Moungi G. Bawendi指出，出于某些目的，長壽不一定那么重要。無論如何，許多電子設(shè)備，例如手機(jī)，無論如何都傾向于在幾年內(nèi)被更換，因此即使對于壽命相對較短的太陽能電池，也可能會有一些有用的應(yīng)用。

他說：“即使對于這類短期應(yīng)用，我認(rèn)為我們還沒有這些電池�！� “但是人們之間的距離越來越近，交流越來越便捷，因此將我們在本文中提出的想法與其他人在提高穩(wěn)定性方面所擁有的想法結(jié)合起來，可能會帶來一些真正有趣的事情。”

英國倫敦帝國學(xué)院（Imperial College London）材料講師羅伯特·霍伊（Robert Hoye），他并非參與此研究，他說：“這是國際團(tuán)隊(duì)的出色工作。” 他補(bǔ)充說：“這可能會帶來更高的可重復(fù)性，并在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化模塊，從而實(shí)現(xiàn)出色的設(shè)備效率。就科學(xué)的里程碑而言，它們不僅實(shí)現(xiàn)了2020年大部分時(shí)間鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證記錄，而且還實(shí)現(xiàn)了高達(dá)輻射極限的97％的開路電壓。對于從溶液中生長的太陽能電池而言，這是一個(gè)了不起的成就�！�

該小組的成員包括韓國化學(xué)技術(shù)研究院，韓國高級科學(xué)技術(shù)研究院，蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院和佐治亞理工學(xué)院的研究人員。這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院士兵納米技術(shù)研究所（MIT’s Institute for Soldier Nanotechnology），美國國家航空航天局（NASA），意大利公司（Eni SpA）通過MIT能源計(jì)劃（MIT Energy Initiative）的支持，韓國國家研究基金會和韓國國家科學(xué)技術(shù)委員會（National Research Council of Science & Technology）的支持下進(jìn)行的。