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理論上來說，借由混合正確的材料而做出的鈣鈦礦（perovskite ）結(jié)晶能夠?qū)⒐怆娹D(zhuǎn)換效率推向超過30% ，勝過矽基太陽能電池（目前為止最豐富的太陽能電池技術(shù)）的效率，且成本也較低。這些結(jié)果在論文上都很棒，但實際上，有某個東西讓此技術(shù)沒有辦法表現(xiàn)得這么好。



在正確的情況下結(jié)合鈣、鈦、與氧的話，就會形成重復的分子單元，這些分子單元看起來像一堆在角落相連起來的盒子。不論參與其中的元素，這種特別的結(jié)晶圖案被稱作鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

鈣鈦礦在人類尋找能夠便宜且有效地捕捉太陽能的方法中貢獻了很多。借由撒上有機分子，這些結(jié)晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠?qū)?/4 以上落于它們上頭的光轉(zhuǎn)換成電力。比方說，若從碘化鉛出發(fā)，將碘化鉛丟到譬如甲胺（methylammonium）等有機化合物中來獲得正電，在撒上一些陽光，你就正在產(chǎn)生一些電流的路上了。

效率下降元兇


為了在這能量轉(zhuǎn)換上達到超過25% 的效率，工程師們很快地學到，確保有足夠的碘化物是有償?shù)?，這似乎是要確保在鈣鈦礦晶格中的任何缺陷都好好地且完全地被填滿。但是，此假設(shè)從來沒有完整地經(jīng)測試，因此來自圣塔芭芭拉加利福尼亞大學（University of California, Santa Barbara）的研究人員回到第一原理來決定到底真的發(fā)生了什么事。

當研究團隊透過最尖端的計算，來分析當電子遷移過有機分子與碘化鉛的混合結(jié)構(gòu)時，影響電子的量子行為時，他們發(fā)現(xiàn)加入更多的碘化物并不是實驗所認為正確的步驟。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的缺陷并不在任何人所預(yù)期之處：并不是鈣鈦礦晶粒中的缺陷，而是先前被認為堅不可摧的單元，即有機成分，造成了結(jié)構(gòu)的弱點。事實證明有機成分的氫能夠馬上消失。


主要研究員與材料工程師張協(xié)助理教授說：甲胺碘化鉛是典型的混合鈣鈦礦。我們發(fā)現(xiàn)要斷開其中一個鍵結(jié)，并且從甲胺分子上移掉一個氫原子是多么的容易。

氫的空缺在電路中形成了不便的坑洞，導致當太陽光從周圍的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中使電子自由化時，阻礙了電流的產(chǎn)生。張教授說：當這些電荷陷在空缺中時，它們就再也無法進行有用的工作，例如對電池充電或驅(qū)動馬達，因此效率下降。

改善方法與未來走向


雖然在目前階段，這個過程完全是理論的，但是該計算也讓團隊能夠在此缺陷的周圍找出方法。其中一個與實驗結(jié)果相匹配的可能性是在碘化物濃度中找尋一個中間值。

另外，將原本的有機分子換成另一種例如銫（cesium）的陽離子，或者更好地，換成一種相似的有機化合物，例如甲脒（formamidinium）的話，也可以導致根本效率上的改善。


將這個理論研究轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)電力的實際方法需要更多的測試與計劃。在計算上可行的方法需要能夠整合入制程中，并利用此制程在甲脒分子的周圍長出沒有缺陷的鈣鈦礦晶圓。為了讓鈣鈦礦有希望主導能源生產(chǎn)市場，會需要在金融與功能方面都展現(xiàn)出其價值。

對矽的預(yù)測顯示，要使其超過其理論極限的30%，還有很長的路要走。但是若考慮到鈣鈦礦在過去十年中獲得的進步，鈣鈦礦太陽能電池可能會在不久的將來取得重大突破。 

原標題：科學家終于找到影響鈣鈦礦太陽能電池效率的原因，并改寫未來走向