关于一些光伏材料如何有效地将阳光转化为电能的新见解可以将这些材料定位为取代传统的硅太阳能电池。宾夕法尼亚州立大学研究人员进行的一项研究揭示了这些廉价且快速生产的卤化钙钛矿的独特性质，这将指导下一代太阳能电池的开发。这项研究发表在《化学》杂志上。
宾夕法尼亚州立大学化学副教授约翰阿斯伯里说：“由于硅太阳能电池今天可以在屋顶和路边找到，研究人员一直在寻找更容易加工成太阳能电池的新光伏材料。”这项研究的作者。“这是因为硅太阳能电池的构造复杂，很难扩展到它们需要的水平，它甚至可以产生总电力需求的10%。”
由于这些复杂性，研究人员一直在寻找硅太阳能电池的更便宜的替代品，这种电池可以更快地加工。他们对可以使用卷对卷制造技术加工的材料特别感兴趣，这种技术类似于印刷报纸的技术，可以实现低成本和大规模生产。这些材料必须从溶液中加工出来，就像印在页面上的墨水一样。
“在对这种材料进行了40年的深入研究后，除了一种令人兴奋的叫做卤化物钙钛矿的材料，没有什么可以接近硅，”阿斯伯里说。“卤化物钙钛矿似乎对其结构中的缺陷具有独特的耐受性。在其他有类似缺陷的材料做不到的时候，它们可以有效地将太阳光转化为电能。”
然而，在这项研究之前，卤素钙钛矿对缺陷如此宽容的原因尚不清楚。研究人员使用超快速红外成像技术来研究这些材料的结构和成分如何影响它们将阳光转化为电能的能力。
研究人员已经确定，卤素钙钛矿具有独特的能力，即使晶体中的原子经历异常大规模的振动，也能保持晶体结构。所有材料都会经历其原子的振动运动，这种振动通常通过使材料的晶体非常坚硬(如硅)来抑制，从而使其原子牢固地固定在适当的位置。但是，根据目前的研究，卤素钙钛矿非常柔软，这使得它们的原子可以四处移动，有助于提高效率。
“有趣的是，这种大规模的原子运动通常会导致其他材料中晶体结构的损失，从而产生消耗激发态能量的缺陷，”阿斯伯里说。“但对于卤代钙钛矿，研究人员可以通过化学方法替换材料中的带电原子，来调整这种原子尺度运动的幅度。这将使我们能够提高卤化钙钛矿材料的性能和稳定性。
“目前，卤化物钙钛矿通常含有铅等有毒元素，它不像他们需要取代硅太阳能电池那样稳定，”阿斯伯里说。“这项研究的见解将使我们能够利用卷到卷工艺设计新的卤化钙钛矿。这将指导下一代钙钛矿材料的发展，这种材料更稳定，含有更少的有毒元素，如锡，而不是铅。”
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