在所有将国家能源供应转换为可再生能源的努力中，太阳能仍然只占美国发电量的不到3%。部分原因是生产太阳能电池的成本相对较高。

降低生产成本的一种方法是开发使用比目前硅基电池更便宜的材料的太阳能电池。为了实现这一目标，一些工程师将注意力集中在卤化物钙钛矿上，这是一种人造材料，具有立方体状的重复晶体。

从理论上讲，钙钛矿太阳能电池可以用比硅成本更低、更容易获得的原材料制造;它们还可以使用更少的能源和更简单的制造过程来生产。

但到目前为止，一个绊脚石是钙钛矿暴露在光和热下会分解，这对于从太阳能中产生能量的设备来说尤其成问题。

现在，由加州大学洛杉矶分校领导的一项国际研究合作已经开发出一种在太阳能电池中使用钙钛矿的方法，同时保护钙钛矿不受导致其恶化的条件的影响。在《自然材料》杂志上发表的一项研究中，科学家们直接向钙钛矿中添加了少量的离子(带电原子)。

他们发现，增强后的钙钛矿不仅在暴露于光和热时更加耐用，而且还能更有效地将光转化为电能。

“可再生能源是至关重要的，”通讯作者杨阳说，他是加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院的工程学教授，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员。“钙钛矿将成为游戏规则的改变者，因为它可以以硅不能的方式大规模生产，而且我们已经确定了一种添加剂，可以使材料变得更好。”

卤化物钙钛矿将光转化为电的能力是由于其分子形成重复的立方体网格的方式。这种结构是由带相反电荷的离子之间的键结合在一起的。但是光和热往往会导致带负电荷的离子从钙钛矿中冒出来，这会破坏晶体结构，降低材料的能量转换性能。

钕通常用于麦克风、扬声器、激光器和装饰玻璃。它的离子大小刚好可以嵌入立方钙钛矿晶体中，并且它们携带三个正电荷，科学家们假设这有助于将带负电荷的离子固定在适当的位置。

研究人员在每10,000个钙钛矿分子中添加了大约8个钕离子，然后测试了这种材料在太阳能电池中的性能。使用增强钙钛矿的太阳能电池在最大功率下工作，并暴露在连续光照下超过1000小时，在将光转换为电能方面保持了约93%的效率。相比之下，在相同条件下，使用标准钙钛矿的太阳能电池在300小时后失去了一半的能量转换效率。

图中显示了未改变的钙钛矿分子(左)与碘离子(紫色)迁移的结构;钙钛矿分子与钕离子(红色)加入，以帮助保留碘离子。

研究小组还在没有任何设备充电的情况下对太阳能电池进行连续照射，这加速了钙钛矿的降解。使用钙钛矿和钕的设备在超过2000小时后仍保留了84%的功率转换效率，而使用标准钙钛矿的设备在此时间后没有保留其效率。

为了测试这种材料的耐高温能力，研究人员将这两种材料的太阳能电池加热到华氏180度左右。增加钙钛矿的太阳能电池在2000多个小时后仍然保持了大约86%的效率，而标准的钙钛矿设备在这段时间内完全失去了将光转化为电能的能力。

在之前许多旨在使钙钛矿更耐用的研究中，研究人员尝试在材料上添加保护层，但这在很大程度上失败了。增强材料本身的想法来自第一作者赵烨品，他是杨实验室的博士后研究员。赵说，他的灵感来自于硅半导体生产中常用的一种技术——加入少量其他化合物来改变材料的性质。

“离子倾向于穿过钙钛矿，就像高速公路上的汽车一样，这导致材料分解，”赵说。“对于钕，我们发现了一个障碍，可以减缓运输速度，保护材料。”

杨说，这一进展可以帮助钙钛矿太阳能电池在未来两到三年内进入市场。

加州大学洛杉矶分校这项研究的其他作者包括Shaun Tan、黄天一、王睿和薛晶晶，他们都获得了博士学位;博士后研究员董孟、韩泰熙;博士生杨文欣、邢启宇;最近获得硕士学位的张安妮(Anni Zhang);大学生周一凡和张伊丽莎白。其他合著者来自土耳其马尔马拉大学、韩国成均馆大学、中国大连理工大学和西湖大学、华盛顿州立大学、加州大学欧文分校和圣路易斯华盛顿大学。

这项研究得到了美国能源部、韩国国家研究基金会、中国国家自然科学基金会和土耳其科学技术研究委员会的资助。

标签:研究|能源|可持续性|工程|科学

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。