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鈣鈦礦是一類具有相同晶體結構的化合物，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注。但是，關于它們的結構細節(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，使用昂貴的設備限制了其擴大生產的潛力。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現的。

　　
現在，研究人員已經能夠解釋鈣鈦礦行為的一個關鍵方面，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”，在這種“甜蜜點”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)現發(fā)表在《科學》雜志上，由麻省理工學院前博士后胡安-帕布羅·科利亞-巴埃納、麻省理工學院教授托尼奧·布納西和蒙吉·巴旺迪以及麻省理工學院、加州大學圣地亞哥分校和其他機構的18位教授共同撰寫。

　　
鈣鈦礦是一類具有三部分晶體結構的化合物。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，從而產生非常廣泛的可能公式。Buonassisi將設計一個新的鈣鈦礦比作從菜單中點菜，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試驗來研究，因為研究人員對材料中發(fā)生的事情沒有基本的了解。

　　
此前，瑞士洛桑聯邦理工學院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)的一個研究小組發(fā)現，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研究。但當時沒有解釋這種改進，也不知道這些金屬在化合物中到底做了什么。

　　
“關于微觀結構是如何影響性能的，我們知之甚少，”Buonassisi說。

　　
現在，利用高分辨率同步加速器納米x射線熒光測量技術進行的詳細測繪揭示了這一過程的細節(jié)，為進一步改善這種材料的性能提供了潛在線索。

　　
事實證明，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。正如該團隊所描述的，這些添加劑有助于混合物的“均質化”，使其更容易導電，從而提高其作為太陽能電池的效率。但是，他們發(fā)現，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，在這兩者之間，對于這些復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。

　　
說:“這是一個很大的發(fā)現Correa-Baena,1月份成為助理教授喬治亞理工大學材料科學與工程,研究人員發(fā)現,三年后的工作在麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校的合作者是“當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，揭示出均勻化和結塊的抵消效應。”

　　
Correa-Baena說:“根據這些發(fā)現，我們現在知道，我們應該研究類似的體系，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鈣鈦礦的低成本方面，但它們仍需要進一步的工作來提高整體效率和壽命，而后者遠遠落后于硅電池。

　　
盡管研究人員已經澄清了鈣鈦礦材料在添加不同金屬時發(fā)生的結構變化，以及由此導致的性能變化，“我們仍然不明白這背后的化學原理，”corria - baena說。

　　
這是該小組正在進行的研究課題。根據Correa-Baena的數據，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空間。

　　
盡管鈣鈦礦可能需要數年時間才能充分發(fā)揮其潛力，但至少有兩家公司已經在建立生產線，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，設計用于集成到建筑的立面上。

　
“這已經發(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)?？芍圃煨浴⑿屎湍途眯缘膯栴}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。”“這將使太陽能的擴張速度比我們所見的要快得多。”

　　
鈣鈦礦太陽能電池“現在是商業(yè)化的主要候選。因此，正如這項工作中所做的那樣，提供更深入的見解有助于未來的發(fā)展，”瑞士弗里堡大學(University of Fribourg)軟物質物理學高級研究員邁克爾•薩利巴(Michael Saliba)表示。他沒有參與這項研究。

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

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

　　
這項研究除了麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校的研究人員外，還包括普渡大學和阿貢國家實驗室的研究人員。研究得到了美國能源部、國家科學基金會、斯科爾科沃科學技術研究所和加州能源委員會的支持。