基于鈣鈦礦的太陽能電池有很多值得關注的地方。它們生產簡單且便宜，提供靈活性，可以解鎖各種新的安裝方法和地點，并且近年來已經達到了接近傳統硅基電池的能效。

但是，弄清楚如何生產持續時間超過幾個月的基于鈣鈦礦的能源設備一直是一個挑戰。

現在，佐治亞理工學院，加利福尼亞大學圣地亞哥分校和麻省理工學院的研究人員已經報道了關于鈣鈦礦太陽能電池的新發現，這些研究結果可以引領出更好的設備。

“鈣鈦礦太陽能電池具有很多潛在優勢，因為它們非常輕，可以用柔性塑料基板制造，”佐治亞理工學院材料科學與工程學院助理教授Juan-PabloCorrea-Baena說。“然而，為了能夠在市場上與硅基太陽能電池競爭，它們需要更高效。”

在2月8日發表在“科學”雜志上并由美國能源部和國家科學基金會贊助的一項研究中，研究人員更詳細地描述了如何在傳統鈣鈦礦中添加堿金屬以獲得更好的性能。

加州大學圣地亞哥分校的納米工程教授大衛芬寧說：“鈣鈦礦可以真正改變太陽能游戲。”“他們有可能在不放棄業績的情況下降低成本。但是，從根本上學習這些材料還有很多東西要做。”

要了解鈣鈦礦晶體，將其晶體結構視為三元組是有幫助的。三元組的一部分通常由元件引線形成。第二種通常由有機組分如甲基銨組成，第三種通常由其它鹵化物如溴和碘組成。

近年來，研究人員一直致力于測試不同的配方以提高效率，例如在結構的鉛組分中添加碘和溴。后來，他們嘗試用銫和銣代替通常被有機分子占據的鈣鈦礦部分。

Correa-Baena說：“我們從早期的研究中了解到，向混合溴和碘鈣鈣鈦礦中添加銫和銣會帶來更好的穩定性和更高的性能。”

但很少有人知道為什么添加這些堿金屬會改善鈣鈦礦的性能。

為了理解為什么它似乎有效，研究人員使用高強度X射線測繪來檢測納米尺度的鈣鈦礦。

“通過觀察鈣鈦礦材料中的成分，我們可以看到每個元素如何在提高器件性能方面發揮作用，”加州大學圣地亞哥分校納米工程博士生Yanqi(Grace)Luo說。

他們發現，當將銫和銣加入到混合的溴和碘鉛鈣鈦礦中時，它會使溴和碘更均勻地混合在一起，導致轉化效率比沒有這些添加劑的材料高出2%。

“我們發現化學和結構的均勻性有助于鈣鈦礦太陽能電池以最大的潛力運行，”芬寧說。“該骨干中的任何異質性都像鏈中的薄弱環節。”

即便如此，研究人員還觀察到，雖然添加銣或銫會使溴和碘變得更均勻，但鹵化金屬本身在其自身陽離子中仍然相當聚集，在太陽能電池中產生無活性的“死區”，不會產生電流。

“這令人驚訝，”芬寧說。“擁有這些死區通常會殺死一個太陽能電池。在其他材料中，它們就像黑洞一樣吸收來自其他地區的電子，永遠不會讓它們消失，所以你會失去電流和電壓。

“但是在這些鈣鈦礦中，我們看到銣和銫周圍的死區對太陽能電池性能沒有太大的損害，盡管目前有一些損失，”芬寧說。“這表明這些材料有多強大，但也有更多的改進機會。”

這些發現增加了對基于鈣鈦礦的器件如何在納米尺度下工作的理解，并為未來的改進奠定了基礎。

“這些材料具有極高的性價比和高性能，這正是我們確保光伏板廣泛部署所需要的，”Correa-Baena說。“我們希望嘗試抵消氣候變化問題，因此我們的想法是讓光伏電池盡可能便宜。”