韩国科学家提出反钙钛矿氧化物 可提高太阳能电池效率

改进太阳能电池设计是提高能源消耗不可或缺的一环。科学家们最近致力于提高太阳能电池的效率、灵活性和便携性，使其能够集成到日常应用中。因此，新型的轻质柔性薄膜太阳能电池被开发出来。然而，将效率与灵活性结合起来并不容易。一种材料（通常是半导体）要有效率，它必须有一个很小的“带隙”——即激发电荷载体进行导电所需的能量，并且应该吸收并将大部分阳光转化为电能。迄今为止，还没有一种适用于薄膜太阳能电池的高效吸收剂被开发出来。

通常，半导体中的电荷载流子是由带负电荷的电子和带正电荷的“空穴”（本质上是“无”电子）成对产生的。为了有效导电，这些电子和空穴需要分开。一类被称为“铁电体”的材料可以极大地促进这种分离，这要归功于它们的自发“极化”，这种现象类似于铁的自发磁化。然而，由于大的带隙和较差的光-电转换，他们已经看到有限的光伏应用。

在发表在《应用材料与界面》上的一项新研究中，韩国科学家解决了这一问题，提出了一种新型的“反钙钛矿”氧化物的解决方案，即Ba4Pn2O，Pn代表砷（as）或锑（Sb）。利用密度泛函理论计算，科学家们研究了反钙钛矿氧化物的各种物理性质，发现它们表现出自发的电极化，使它们在自然界中具有铁电性。领导这项研究的仁川国立大学的YunghoKang教授解释说，在Ba4Pn2O结构的最小能量配置中，我们发现O离子和Ba离子从原来的位置向相反的方向移动。这些位移产生了非零电极化，这是铁电的经典特征。”

由于自发极化有助于电子-空穴对的分离，这意味着反钙钛矿氧化物可以有效地提取载流子。此外，计算表明，它们的带隙是有效吸收阳光的理想材料，即使是很薄的Ba4Pn2O层也能产生可观的光电流。

这些有希望的结果使科学家们对薄膜太阳能电池的未来前景感到兴奋。Kang教授推测，“我们的研究结果有力地证实了反钙钛矿可以作为薄膜太阳能电池的有效吸收剂。考虑到它们的多功能性，这些太阳能电池在现实生活中有多种应用，甚至可以在有阳光的情况下给手机充电。此外，它们的灵活性还允许制造智能手表等自动驾驶可穿戴设备。”