编者按：华盛顿大学圣路易斯分校的工程师们的一项发现为无毒性钙钛矿太阳能电池铺平了道路，Rohan Mishra领导的研究小组发现了一种由钾、钡、碲、铋和氧组成的新型半导体，有望取代钙钛矿太阳能电池中使用的铅基半导体。

太阳能电池板对世界从替代能源中获取电力的兴趣大有裨益。然而，这项技术的一个缺点是，电池板和电池本身是由有毒和不环保的材料制成的。

华盛顿大学圣路易斯分校的工程师们与美国能源部(DoE)合作，旨在帮助解决这个问题，他们的一项发现为无毒性钙钛矿太阳能电池铺平了道路。

由麦凯维工程学院机械工程和材料科学助理教授Rohan Mishra领导的研究小组发现了一种由钾、钡、碲、铋和氧组成的新型半导体，有望取代钙钛矿太阳能电池中使用的铅基半导体。


钙钛矿是一种具有晶体结构的复合材料，长期以来一直被认为是薄膜太阳能电池中领先的下一代材料。与硅相比，这种材料有许多优点，包括更高的效率和更低的电池生产成本。然而，这种材料通常还不像硅那样稳定，这促使研究人员在材料和设计上探索新的选择。

“我们知道现有的钙钛矿并不稳定，”该校助理副校长、能源、环境和化学工程系主任普拉蒂姆·比斯瓦斯(Pratim Biswas)教授在接受Design News采访时承认。“虽然我们的制造方法提高了稳定性，但我们觉得选择其他材料会更好。此外，避免有毒金属……是一件大好事，因为我们不想解决一个能源问题，又增加一个环境问题。”

大海捞针

研究人员发现的无铅双钙钛矿氧化物半导体是目前存在的30000种潜在铋基氧化物之一;研究人员说，在这些化合物中，只有25种是已知化合物。

为了从这些化合物中找出一种可行的半导体，研究人员使用了美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)世界上最快的超级计算机之一上的材料信息学和量子力学计算。

研究人员说，他们通过计算确定的半导体似乎是最稳定的，也可以在实验室中合成。此外，在钙钛矿细胞中使用其活性的关键在于，虽然大多数氧化物往往具有较大的带隙，但这种化合物具有较低的带隙，类似于卤化物钙钛矿材料。

带隙是电子必须克服的能量障碍，才能形成自由载流子。就太阳能电池而言，这种载流子可以被提取出来，为电力设备或电池提供能量，供以后使用。阳光提供能量来克服这个障碍;研究人员说，较低的带隙最终意味着更高的能源效率。

证明材料

比斯瓦斯说，一旦研究人员确定了这种可行的半导体，他们就开始合成这种材料，看看它是否具有预期的性能。下一步是用新发现的半导体制造太阳能电池。

“我们用理论和计算来筛选一系列材料，然后用我们创新的气溶胶合成方法来制造太阳能电池，”他告诉Design News。“我们在这方面取得了成功，对我们的进展感到兴奋。”

研究人员在《材料化学》杂志上发表了一篇关于他们工作的论文。

比斯瓦斯说，研究小组的工作显示出开发不含铅的高效钙钛矿电池的前景，这种电池可以扩展到其他同样使用半导体的应用领域。 

原标题：新型半导体为无毒性太阳能电池铺平了道路