对于某一类光伏材料如何有效地将太阳光转化为电能的新见解，可以有助于这些材料的研发，以便于其来取代传统的硅太阳能电池。宾夕法尼亚州立大学的研究人员进行的一项研究揭示了廉价和快速生产的卤化钙钛矿的独特性质，这些信息将指导下一代太阳能电池的开发。该研究发表在“Chem”杂志上。
宾夕法尼亚州立大学化学副教授兼该论文的重要作者John Asbury说：“现如今我们经常可以发现屋顶或路边应用的硅太阳能电池，不过研究人员一直在积极寻找更容易加工成太阳能电池的新型光伏材料，这是因为硅太阳能电池的加工非常复杂，并且难以扩大到我们电力总需求量10％所需要的规模水平。”
由于这些复杂性，研究人员一直在寻找更便宜的材料来替代硅太阳能电池，以便更快地加工。他们特别感兴趣的是可以使用一种“辊对辊”的制造技术来加工的材料。类似于报纸印刷的方式，这种技术允许低成本，大批量生产。这些材料必须从溶液中加工出来，就像印在页面上的油墨那样。
Asbury说：“对这类材料进行了40年的深入研究后，科研人员发现除了一种名为“卤化物钙钛矿”的材料外，没有发现其它材料可以接近硅的性能。“卤化物钙钛矿似乎对其结构中的缺陷具有独特的耐受性，这些缺陷使它们能够有效的将太阳能转化为电能，而其他具有类似缺陷的材料则不然。
然而，在这项研究之前，是什么使卤素钙钛矿对缺陷的容忍度如此之高尚不清楚。研究人员利用超快红外成像技术研究了这些材料的结构和成分是如何影响它们将太阳光转化为电能的能力。
他们确定卤化钙钛矿具有独特的维持晶体结构的能力，即使它们的晶体中的原子经历异常大规模的振动运动。所有材料都会经历其原子的振动运动，这通常需要通过具有非常坚硬的晶体结构（例如硅）来抑制，从而使原子牢固地固定在原位。然而，根据目前的研究，卤化物钙钛矿是非常柔软的，这使得它们的原子可以四处移动并有助于提高效率。
“有趣的是，这种大规模的原子运动通常会导致其他材料中晶体结构的损失，从而产生消耗激发态能量的缺陷，”Asbury解释道。“但是对于卤化钙钛矿，研究人员可以用化学方法替代材料中带电荷的原子，来调整这种原子尺度运动的振幅。这将使我们能够改善卤化钙钛矿材料的性能和稳定性。”
“目前，卤化物钙钛矿通常含有铅等有毒元素，而且还没有达到取代硅太阳能电池所需的稳定程度。本研究的见解将使我们能够制定规则，使用辊对辊制造工艺来设计新的卤化物钙钛矿。这将指导下一代钙钛矿材料的开发，这些材料更稳定，含有较少的有毒元素，例如含锡而不是含有铅元素。”
