鈣鈦礦是一類具有相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物，由于其低成本、靈活性和相對容易的制造工藝，作為一種潛在的新型太陽能電池材料受到了廣泛關(guān)注。但是，關(guān)于它們的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，以及在材料中取代不同金屬或其他元素的效果，還有很多未知之處。

由硅制成的傳統(tǒng)太陽能電池必須在1400攝氏度以上的溫度下加工，使用昂貴的設(shè)備限制了其擴(kuò)大生產(chǎn)的潛力。相比之下，鈣鈦礦可以在低至100度的液態(tài)溶液中加工，使用廉價的設(shè)備。更重要的是，鈣鈦礦可以沉積在各種各樣的基體上，包括柔性塑料，這使得鈣鈦礦有了各種各樣的新用途，而這在更厚、更硬的硅片上是不可能實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)能夠解釋鈣鈦礦行為的一個關(guān)鍵方面，它是由不同的配方制成的:在某些添加劑中，存在一種“甜蜜點(diǎn)”，在這種“甜蜜點(diǎn)”上，添加更多的鈣鈦礦會提高性能，而添加更多的鈣鈦礦會開始降低性能。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，由麻省理工學(xué)院前博士后胡安-帕布羅·科利亞-巴埃納、麻省理工學(xué)院教授托尼奧·布納西和蒙吉·巴旺迪以及麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)圣地亞哥分校和其他機(jī)構(gòu)的18位教授共同撰寫。

鈣鈦礦是一類具有三部分晶體結(jié)構(gòu)的化合物。每個部件都可以由許多不同的元素或化合物中的任意一個組成，從而產(chǎn)生非常廣泛的可能公式。Buonassisi將設(shè)計(jì)一個新的鈣鈦礦比作從菜單中點(diǎn)菜，從每一列a、B和(按照慣例)X中選擇一個(或多個)。

“你可以混合搭配，”他說，但到目前為止，所有的變化都只能通過反復(fù)試驗(yàn)來研究，因?yàn)檠芯咳藛T對材料中發(fā)生的事情沒有基本的了解。

此前，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EcolePolytechniqueFederaledeLausanne)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦混合物中加入某些堿金屬，可以提高這種材料將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，從19%左右提高到22%左右。科里亞-巴埃納也參與了這項(xiàng)研究。但當(dāng)時沒有解釋這種改進(jìn)，也不知道這些金屬在化合物中到底做了什么。

“關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)是如何影響性能的，我們知之甚少，”Buonassisi說。

現(xiàn)在，利用高分辨率同步加速器納米x射線熒光測量技術(shù)進(jìn)行的詳細(xì)測繪揭示了這一過程的細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步改善這種材料的性能提供了潛在線索。

事實(shí)證明，在鈣鈦礦化合物中加入諸如銫或銣等堿金屬，可以幫助其他成分更順利地混合在一起。正如該團(tuán)隊(duì)所描述的，這些添加劑有助于混合物的“均質(zhì)化”，使其更容易導(dǎo)電，從而提高其作為太陽能電池的效率。但是，他們發(fā)現(xiàn)，這只能在一定程度上起作用。超過一定濃度后，這些添加的金屬會聚集在一起，形成干擾材料導(dǎo)電性的區(qū)域，并在一定程度上抵消最初的優(yōu)勢。他們發(fā)現(xiàn)，在這兩者之間，對于這些復(fù)雜化合物的任何給定配方來說，都是提供最佳性能的最佳點(diǎn)。

說:“這是一個很大的發(fā)現(xiàn)Correa-Baena,1月份成為助理教授喬治亞理工大學(xué)材料科學(xué)與工程,研究人員發(fā)現(xiàn),三年后的工作在麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校的合作者是“當(dāng)你添加這些堿金屬和性能提高的原因。“他們能夠直接觀察到材料組成的變化，揭示出均勻化和結(jié)塊的抵消效應(yīng)。”

Correa-Baena說:“根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，我們現(xiàn)在知道，我們應(yīng)該研究類似的體系，比如加入堿金屬或其他金屬，或者改變配方的其他部分。”

盡管鈣鈦礦相對于傳統(tǒng)的硅太陽能電池有很大的優(yōu)勢，尤其是在建立工廠生產(chǎn)鈣鈦礦的低成本方面，但它們?nèi)孕枰M(jìn)一步的工作來提高整體效率和壽命，而后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硅電池。

盡管研究人員已經(jīng)澄清了鈣鈦礦材料在添加不同金屬時發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，以及由此導(dǎo)致的性能變化，“我們?nèi)匀徊幻靼走@背后的化學(xué)原理，”corria-baena說。

這是該小組正在進(jìn)行的研究課題。根據(jù)Correa-Baena的數(shù)據(jù)，理論上這些鈣鈦礦太陽能電池的最大效率約為31%，迄今為止的最佳性能約為23%，因此仍有很大的改進(jìn)空間。

盡管鈣鈦礦可能需要數(shù)年時間才能充分發(fā)揮其潛力，但至少有兩家公司已經(jīng)在建立生產(chǎn)線，他們希望在明年左右開始銷售首批模塊。其中一些是小型的、透明的、彩色的太陽能電池，設(shè)計(jì)用于集成到建筑的立面上。

“這已經(jīng)發(fā)生了，”Correa-Baena說，“但是要使這些更耐用，還有很多工作要做。”

Buonassisi說，一旦大規(guī)模可制造性、效率和耐久性的問題得到解決，鈣鈦礦可能會成為可再生能源行業(yè)的主要參與者。

他表示:“如果他們成功地制造出可持續(xù)、高效的模塊，同時保持制造成本低廉，那可能會改變游戲規(guī)則。”“這將使太陽能的擴(kuò)張速度比我們所見的要快得多。”

鈣鈦礦太陽能電池“現(xiàn)在是商業(yè)化的主要候選。因此，正如這項(xiàng)工作中所做的那樣，提供更深入的見解有助于未來的發(fā)展，”瑞士弗里堡大學(xué)(UniversityofFribourg)軟物質(zhì)物理學(xué)高級研究員邁克爾?薩利巴(MichaelSaliba)表示。他沒有參與這項(xiàng)研究。

Saliba補(bǔ)充說:“這是一項(xiàng)偉大的工作，它揭示了一些最受研究的材料。以同步加速器為基礎(chǔ)的新技術(shù)與新材料工程的結(jié)合是最高質(zhì)量的，值得在這樣一份高級期刊上發(fā)表。

他補(bǔ)充說，這個領(lǐng)域的工作“正在迅速進(jìn)展”。因此，擁有更詳細(xì)的知識對于解決未來的工程挑戰(zhàn)將是非常重要的。

這項(xiàng)研究除了麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員外，還包括普渡大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員。研究得到了美國能源部、國家科學(xué)基金會、斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所和加州能源委員會的支持。