从理论上解释钙钛矿电池技术当前瓶颈所在

在我们寻找一种廉价、高效的方式来收集太阳能的过程中，钙钛矿展现了很多优点。通过添加有机分子，这些晶体结构已经能够将落在它们身上的光线的四分之一以上转化为电能。

理论上，用正确的材料组合制成的钙钛晶体可将这一极限推到30%以上，超过硅基太阳能电池(这是目前最有用的太阳能电池板技术)，而且成本低得多。这一切在纸面上都很好，但在现实中，有些东西一直在阻碍着技术的发展。

在适当的条件下将钙、钛和氧结合在一起，就可以得到重复的分子笼。

无论所涉及的元素是什么，这种特殊的结晶模式被称为钙钛结构。我们也可以用碘化铅做一个，扔进像甲基铵这样的有机化合物以获得正电荷，洒上一些阳光，就可以产生电流了。

为了在这种能源转换中实现超过25%的效率，工程师们很快了解到，需要确保有大量的碘化物——这似乎是为了保证晶体晶格中的任何缺陷都被很好地填补。

但这一假设从经充分的论证，因此美国加州大学圣巴巴拉分校的研究人员觉得亲自上手，验证一番。

利用最先进的计算技术来分析影响电子的量子行为；当它们在有机分子和碘化铅结构的混合体中迁移时，研究人员发现，添加更多的碘化物并不完全是从经验里总结出的明智之举。

事实证明，该系统的缺陷并不在任何人所预期的地方。

与其说是晶体笼子的缺陷，不如说是有机成分——以前被认为是一个牢不可破的单元——出现了相当令人沮丧的弱点。事实证明，他们的氢键可直接断裂。

"甲基碘化铅铵是典型的混合钙钛矿晶体。"首席研究员和材料工程师张熙(音)说。

"我们发现，打破其中一个键并移除甲基铵分子上的一个氢原子出乎意料地容易。"

这个氢空位在电力公路上形成了一个相当碍事的坑洞，阻碍了太阳光从周围的过氧化物结构中击出电子时产生的电流。

张说："当这些电荷在空缺处被抓住时，它们就不能再做有用的工作，例如给电池充电或给电机供电，因此效率就会下降。”

尽管这一过程在现阶段完全是理论上的，但计算结果也使该团队能够找到绕过这一缺陷的方法。

与实验结果相匹配的一种可能性是在碘化物浓度中寻找一个中间点。

将有机分子换成另一种阳离子，如铯，或者更好的是类似的有机化合物，如甲脒，也可能导致效率的根本改善。

将理论工作转化为实用的发电方法将需要更多的测试和规划。

为了使钙钛矿有望主导未来的能源生产市场，它需要在经济和功能层面上显示其价值。

但是鉴于过氧化物在过去十年中取得的进展，太阳能电池可能会在不远的将来取得重大突破。

这项研究发表在《自然·材料》上。

https://www.sciencealert.com/scientists-uncover-a-major-flaw-that-s-been-holding-back-next-gen-solar-cells