NREL研究人員Xiao Chuanxiao（左）和朱凱與大韓民國的研究人員合作，驗證了鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池實現30％以上效率的潛力。圖片：NREL的Dennis Schroeder
美國國家可再生能源實驗室（NREL）的研究人員與韓國的研究人員合作，已經驗證了將鈣鈦礦和矽結合以生產效率超過30％的太陽能電池的潛力。
他們最初的太陽能電池的認證效率為26.2％。
「這項研究為鈣鈦礦技術的進一步發展提供了具有明顯技術突破和科學見解的新通用方法。」《科學》雜誌一篇新發表的論文的通訊作者朱凱說。朱凱是NREL化學與納米科學中心的資深科學家。
鈣鈦礦成分本身的效率為20.7％，這是寬帶隙鈣鈦礦文獻中報導的最高效率。
科學家還指出，加速測試表明，鈣鈦礦電池在連續照明1000小時後仍能保持其初始效率的80％以上，從而表現出「出色的長期穩定性」。
鈣鈦礦是具有通式ABX結構的一類化合物，其名稱源自於同名礦物鈣鈦礦。鈣鈦礦太陽能電池是由多種元素組合而成的，並已成為發展最快的太陽能技術。
朱凱，世宗大學的Dong Hoe Kim和韓國科學技術高等研究院的Byungha Shin構思了該研究項目，該項目部分由能源部太陽能技術辦公室資助。研究人員說，一旦完成其他工作以完善矽層，串聯太陽能電池的效率可能會超過30％。
串聯太陽能裝置由頂部鈣鈦礦電池和底部矽電池組成。頂部和底部都通過帶隙吸收了太陽光譜的不同部分。頂部鈣鈦礦電池的帶隙越寬，底部矽器件可以吸收的陽光越多。矽的帶隙固定為1.1電子伏特（eV），但鈣鈦礦的帶隙可以進行化學調節或「調諧」。理想帶隙約為1.7eV，但要實現這一目標，需要用溴代替碘。但是，過多的溴會使鈣鈦礦不穩定。
該領域的研究人員一直在探索所謂的二維（2-D）相的用途，其中將長鏈分子分隔的片狀滷化鉛八面體添加到鈣鈦礦中，用作鈍化劑以減少化學反應性。鈍化層的使用在改善鈣鈦礦的穩定性和性能方面是有效的。
在對鈍化層進行工程設計時，NREL的科學家及在韓國的同事專注於對二維添加劑的帶負電離子（稱為陰離子）進行工程設計，而不是其他人關注的帶正電離子（陽離子）。通過引入硫氰酸鹽並將其與碘混合，研究人員能夠改善寬帶隙（1.68eV）鈣鈦礦的結構和光電性能以及器件性能。硫氰酸鹽的使用使研究人員能夠提高設備的電流密度，而碘能夠提高電壓。
早些時候Xiao、朱凱以及多倫多大學的同事開發出的鈣鈦礦-矽串聯結構，經認證的效率為25.7％，400小時後性能下降可忽略不計。該發現發表在本月初的《科學》雜誌上。
NREL的並行研究集中於高度穩定的鈣鈦礦-矽串聯。本月早些時候在《科學》雜誌上也報導過其他進展，該設備是通過使用碘、溴和氯的組合製成的，穩定的串聯設備的認證效率為25.8％。