鈣鈦礦是一類具有相同晶體結構的化合物，由于其低成本、靈活性和相對容易的制造工藝，作為一種潛在的新型太陽能電池材料受到了廣泛關注。但是，關于它們的結構細節，以及在材料中取代不同金屬或其他元素的效果，還有很多未知之處。

由硅制成的傳統太陽能電池必須在1400攝氏度以上的溫度下加工，使用昂貴的設備限制了其擴大生產的潛力。相比之下，鈣鈦礦可以在低至100度的液態溶液中加工，使用廉價的設備。更重要的是，鈣鈦礦可以沉積在各種各樣的基體上，包括柔性塑料，這使得鈣鈦礦有了各種各樣的新用途，而這在更厚、更硬的硅片上是不可能實現的。

現在，研究人員已經能夠解釋鈣鈦礦行為的一個關鍵方面，它是由不同的配方制成的:在某些添加劑中，存在一種“甜蜜點”，在這種“甜蜜點”上，添加更多的鈣鈦礦會提高性能，而添加更多的鈣鈦礦會開始降低性能。

這一發現發表在《科學》雜志上，由麻省理工學院前博士后胡安-帕布羅·科利亞-巴埃納、麻省理工學院教授托尼奧·布納西和蒙吉·巴旺迪以及麻省理工學院、加州大學圣地亞哥分校和其他機構的18位教授共同撰寫。

鈣鈦礦是一類具有三部分晶體結構的化合物。每個部件都可以由許多不同的元素或化合物中的任意一個組成，從而產生非常廣泛的可能公式。Buonassisi將設計一個新的鈣鈦礦比作從菜單中點菜，從每一列a、B和(按照慣例)X中選擇一個(或多個)。

“你可以混合搭配，”他說，但到目前為止，所有的變化都只能通過反復試驗來研究，因為研究人員對材料中發生的事情沒有基本的了解。

此前，瑞士洛桑聯邦理工學院(EcolePolytechniqueFederaledeLausanne)的一個研究小組發現，在鈣鈦礦混合物中加入某些堿金屬，可以提高這種材料將太陽能轉化為電能的效率，從19%左右提高到22%左右。科里亞-巴埃納也參與了這項研究。但當時沒有解釋這種改進，也不知道這些金屬在化合物中到底做了什么。

“關于微觀結構是如何影響性能的，我們知之甚少，”Buonassisi說。

現在，利用高分辨率同步加速器納米x射線熒光測量技術進行的詳細測繪揭示了這一過程的細節，為進一步改善這種材料的性能提供了潛在線索。

事實證明，在鈣鈦礦化合物中加入諸如銫或銣等堿金屬，可以幫助其他成分更順利地混合在一起。正如該團隊所描述的，這些添加劑有助于混合物的“均質化”，使其更容易導電，從而提高其作為太陽能電池的效率。但是，他們發現，這只能在一定程度上起作用。超過一定濃度后，這些添加的金屬會聚集在一起，形成干擾材料導電性的區域，并在一定程度上抵消最初的優勢。他們發現，在這兩者之間，對于這些復雜化合物的任何給定配方來說，都是提供最佳性能的最佳點。

說:“這是一個很大的發現Correa-Baena,1月份成為助理教授喬治亞理工大學材料科學與工程,研究人員發現,三年后的工作在麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校的合作者是“當你添加這些堿金屬和性能提高的原因。“他們能夠直接觀察到材料組成的變化，揭示出均勻化和結塊的抵消效應。”

Correa-Baena說:“根據這些發現，我們現在知道，我們應該研究類似的體系，比如加入堿金屬或其他金屬，或者改變配方的其他部分。”

盡管鈣鈦礦相對于傳統的硅太陽能電池有很大的優勢，尤其是在建立工廠生產鈣鈦礦的低成本方面，但它們仍需要進一步的工作來提高整體效率和壽命，而后者遠遠落后于硅電池。

盡管研究人員已經澄清了鈣鈦礦材料在添加不同金屬時發生的結構變化，以及由此導致的性能變化，“我們仍然不明白這背后的化學原理，”corria-baena說。

這是該小組正在進行的研究課題。根據Correa-Baena的數據，理論上這些鈣鈦礦太陽能電池的最大效率約為31%，迄今為止的最佳性能約為23%，因此仍有很大的改進空間。

盡管鈣鈦礦可能需要數年時間才能充分發揮其潛力，但至少有兩家公司已經在建立生產線，他們希望在明年左右開始銷售首批模塊。其中一些是小型的、透明的、彩色的太陽能電池，設計用于集成到建筑的立面上。

“這已經發生了，”Correa-Baena說，“但是要使這些更耐用，還有很多工作要做。”

Buonassisi說，一旦大規模可制造性、效率和耐久性的問題得到解決，鈣鈦礦可能會成為可再生能源行業的主要參與者。

他表示:“如果他們成功地制造出可持續、高效的模塊，同時保持制造成本低廉，那可能會改變游戲規則。”“這將使太陽能的擴張速度比我們所見的要快得多。”

鈣鈦礦太陽能電池“現在是商業化的主要候選。因此，正如這項工作中所做的那樣，提供更深入的見解有助于未來的發展，”瑞士弗里堡大學(UniversityofFribourg)軟物質物理學高級研究員邁克爾?薩利巴(MichaelSaliba)表示。他沒有參與這項研究。

Saliba補充說:“這是一項偉大的工作，它揭示了一些最受研究的材料。以同步加速器為基礎的新技術與新材料工程的結合是最高質量的，值得在這樣一份高級期刊上發表。

他補充說，這個領域的工作“正在迅速進展”。因此，擁有更詳細的知識對于解決未來的工程挑戰將是非常重要的。

這項研究除了麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校的研究人員外，還包括普渡大學和阿貢國家實驗室的研究人員。研究得到了美國能源部、國家科學基金會、斯科爾科沃科學技術研究所和加州能源委員會的支持。