據美國麻省理工學院新聞辦公室戴維·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先候選者。它們為低成本、低溫制造超薄、輕巧的柔性電池提供了潛力，但到目前為止，它們在將太陽光轉化為電能方面的效率已經落后于硅和其他一些替代品。現在，一種新的鈣鈦礦電池設計方法已經推動該材料達到或超過當今典型硅電池的效率，后者通常在20％~22％的范圍內，為進一步改進奠定了基礎。

通過在鈣鈦礦材料上添加經過特殊處理的二氧化錫導電層，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％，此類材料的近紀錄，使許多現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，世界各地的團隊都在努力應對這一挑戰。

最近MIT的2020屆博士生Jason Yoo（現在韓國化學技術研究所，Korea Research Institute of Chemical Technology）、化學教授和萊斯特·沃爾夫（Lester Wolfe）教授與芒吉·巴文迪（Moungi Bawendi），還有來自MIT電氣工程和計算機科學系、化學系的研究人員以及美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）、韓國高等科學技術學院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）、韓國蔚山國立科學技術研究所（Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST）、韓國成均館大學（Sungkyunkwan University）的研究人員合作完成的新研究成果，于2021年2月24日已經在《自然》（Nature）雜志網站發表——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，因為它們具有與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而得名。可以產生鈣鈦礦的化學組合物種類繁多，Jason J. Yoo解釋說，這些材料引起了全世界的關注，因為“至少在理論上，它們的制造價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。部分原因是因為加工和制造過程更加簡單，對于硅或砷化鎵，需要持續超過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行處理。

鈣鈦礦相對于硅或許多其他候選替代品的另一個主要優點是，它可以形成非常薄的層，同時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，即使只有一個活性層，我們也可以使效率威脅到硅電池，并且有望達到砷化鎵的轉化效率，而且這兩種技術的存在時間都比鈣鈦礦長得多。”

Moungi G. Bawendi解釋說，我們團隊提高材料效率的關鍵之一，是對構成鈣鈦礦型太陽能電池的三明治結構的一層-電子傳輸層-進行精確的工程設計。鈣鈦礦本身上鋪有一層透明導電層，該透明​​導電層用于將電流從電池傳輸到可以使用的位置。但是，如果導電層直接附著在鈣鈦礦本身上，則電子及其對應物（稱為空穴）會在某處簡單地復合，并且沒有電流流動。在研究人員的設計中，鈣鈦礦和導電層被一種改進類型的中間層隔開，該中間層可以使電子通過，同時防止復合。

中間電子傳輸層，尤其是與它每一側的層連接的界面，往往是效率低下的地方。通過研究這些機理并設計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浴沉積（chemical bath deposition）。“這就像在慢燉鍋(Crock-Pot)中慢煮一樣，”Moungi G. Bawendi說。在90 ℃的水浴中，前體化學物質會緩慢分解，形成適當的二氧化錫層。“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。”

經過一系列受控實驗后，他們發現根據前體溶液的酸度，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產生更有效的膜。

研究人員將這些步驟與鈣鈦礦層本身的優化相結合。他們在鈣鈦礦配方中使用了一組添加劑來改善其穩定性，該穩定性已在之前進行過嘗試，但對材料的帶隙影響不佳，從而使其吸收劑的效率降低。研究小組發現，通過添加較少量的這些添加劑（<1％），它們仍然可以在不改變帶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使這種材料的理論效率達到了該材料所能達到的理論最大效率的80％以上。盡管這些高效率在小型實驗室規模的設備中得到了證明，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，有可能應用于人們目前正在開發的大規模、可制造鈣鈦礦電池的方法，從而提高效率。”他說，在進一步開展研究時，有兩個重要途徑：繼續努力提高效率，并專注于提高材料的長期穩定性，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，許多電子設備，例如手機，無論如何都傾向于在幾年內被更換，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用。

他說：“即使對于這類短期應用，我認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定性方面所擁有的想法結合起來，可能會帶來一些真正有趣的事情。”

英國倫敦帝國學院（Imperial College London）材料講師羅伯特·霍伊（Robert Hoye），他并非參與此研究，他說：“這是國際團隊的出色工作。” 他補充說：“這可能會帶來更高的可重復性，并在實驗室中實現商業化模塊，從而實現出色的設備效率。就科學的里程碑而言，它們不僅實現了2020年大部分時間鈣鈦礦太陽能電池的認證記錄，而且還實現了高達輻射極限的97％的開路電壓。對于從溶液中生長的太陽能電池而言，這是一個了不起的成就。”

該小組的成員包括韓國化學技術研究院，韓國高級科學技術研究院，蔚山國立科學技術研究院和佐治亞理工學院的研究人員。這項工作得到了麻省理工學院士兵納米技術研究所（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能源計劃（MIT Energy Initiative）的支持，韓國國家研究基金會和韓國國家科學技術委員會（National Research Council of Science & Technology）的支持下進行的。