太阳能电池板，也被称为光伏，依靠半导体器件或太阳能电池，将太阳能转化为电能。
为了产生电能，太阳能电池需要一个电场来分离正电荷和负电荷。为了获得这种磁场，制造商通常会在太阳能电池上涂上化学物质，使一层设备带上正电荷，另一层带上负电荷。这种多层设计确保了电子从设备的负极流向正极——这是设备稳定性和性能的关键因素。但化学掺杂和分层合成也增加了太阳能电池制造的额外成本步骤。
现在，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的科学家领导的研究团队与加州大学伯克利分校合作，展示了一种独特的解决方案，提供了一种更简单的太阳能电池制造方法:一种带有内置电场的晶体太阳能材料——科学家称之为“铁电性”的特性。这种材料今年早些时候发表在《科学进展》杂志上。
这种新型铁电材料是在实验室中从三溴化铯锗(CsGeBr3或CGB)中培育出来的，它为制造太阳能电池器件打开了一扇更容易的大门。与传统的太阳能材料不同，CGB晶体本质上是极化的，晶体的一边形成正电荷，另一边形成负电荷，不需要掺杂。
除了铁电性，CGB还是一种无铅的“卤化物钙钛矿”，这是一种新兴的太阳能材料，与硅相比，它的价格低廉、易于合成，引起了研究人员的兴趣。但许多性能最好的卤化物钙钛矿天然含有铅元素。2017年，其他研究人员在《今日材料能源》(Materials Today Energy)上发表文章称，钙钛矿太阳能材料生产和处置过程中产生的铅残留物可能会污染环境，并引发公众健康问题。由于这些原因，研究人员寻求新的卤化物钙钛矿配方，避免铅而不影响性能。
“如果你能想象出一种无铅太阳能材料，它不仅能从太阳中获取能量，而且还拥有自然自发形成的电场，这在太阳能和电子行业的可能性是相当令人兴奋的，”合著者杨培东说，他是一位领先的纳米材料专家，以其在用于新型太阳能电池技术和人工光合作用的一维半导体纳米线的开创性工作而闻名。他是伯克利实验室材料科学部的高级教员科学家，也是加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程教授。
该研究的共同资深作者Ramamoorthy Ramesh说，CGB还可以推动新一代的开关器件、传感器和对光做出反应的超稳定记忆。Ramamoorthy Ramesh在研究期间是伯克利实验室材料科学部的高级教师科学家，也是加州大学伯克利分校的材料科学与工程教授，现在是莱斯大学研究副校长。
钙钛矿太阳能薄膜通常使用低成本的溶液涂层方法，如旋转涂层或喷墨打印。硅需要2732华氏度的加工温度才能制造成太阳能设备，而钙钛矿则很容易从室温溶液加工到300华氏度左右——对于制造商来说，较低的加工温度将大大降低能源成本。
但是，尽管钙钛矿太阳能材料对太阳能行业有潜在的推动作用，但在研究人员克服产品合成、稳定性和材料可持续性方面的长期挑战之前，它们还不会进入市场。
找到了完美的铁电钙钛矿
钙钛矿由三种不同的元素结晶而成;每个钙钛矿晶体由ABX3化学式描绘
大多数钙钛矿太阳能材料不是铁电的，因为它们的晶体原子结构是对称的，就像雪花一样。在过去的几十年里，像拉梅什和杨这样的可再生能源研究人员一直在寻找具有铁电电位的奇异钙钛矿，特别是不对称的钙钛矿。
几年前，第一作者张烨(Ye Zhang)，当时是加州大学伯克利分校的研究生，在杨的实验室里做研究，她想知道如何制造无铅铁电钙钛矿。她的理论是，在钙钛矿的中心放置一个锗原子，会使其结晶度发生扭曲，从而产生铁电。最重要的是，一种基于锗的钙钛矿可以释放出铅的物质。(现为美国西北大学博士后。)
但是，尽管张志军已经对锗进行了深入研究，但仍然存在不确定性。毕竟，要想出最好的无铅铁电钙钛矿配方就像大海捞针。有成千上万种可能的配方。
因此，Yang, Zhang和团队与Sinéad Griffin合作，他是伯克利实验室分子铸造和材料科学部的一名工作人员，专门从事为各种应用设计新材料，包括量子计算和微电子学。
在材料项目的支持下，格里芬利用国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机，基于一种被称为密度泛函理论的方法进行了高级理论计算。
通过这些以原子结构和化学物种为输入，并可以预测诸如电子结构和铁电性等性质的计算，Griffin和她的团队将注意力集中在CGB上，CGB是唯一一种完全无机的钙钛矿，符合研究人员的铁电钙钛矿的所有要求:它是不对称的吗?是的，它的原子结构看起来像一个菱形，矩形的弯曲表亲。它真的是钙钛矿吗?是的，它的化学式——cegebr3——与ABX3的钙钛矿特征结构相匹配。
研究人员推断，锗在晶体中心的不对称放置会产生一种电位，就像电场一样，将正电子和负电子分开来产生电。但他们是对的吗?
测量CGB的铁电势
为了找到答案，张教授以卓越的控制和精度培育出了微小的单晶CGB纳米线(直径100至1000纳米)和纳米板(约200至600纳米厚，10微米宽)。
“多年来，我的实验室一直在研究如何用毒性更小的材料来替代铅，”杨说。“叶开发了一种生长单晶锗卤化钙钛矿的惊人技术，这是研究铁电性的一个美丽平台。”
先进光源的x射线实验揭示了CGB的不对称晶体结构，这是铁电性的信号。加州大学欧文分校的潘晓青领导的电子显微镜实验发现了CGB铁电性的更多证据:一个被锗中心抵消的“位移”原子结构。
与此同时，张和加州大学伯克利分校物理研究生研究员、该研究的合著者埃里克·帕森内特(Eric Parsonnet)在拉梅什实验室进行的电测量实验揭示了CGB中的可切换极性，满足了铁电性的另一个要求。
但最后的实验——在加州大学伯克利分校的实验室进行的光电导率测量——产生了一个令人愉快的结果，也是一个惊喜。研究人员发现CGB的光吸收是可调的——从可见光到紫外光的光谱(1.6到3电子伏)，这是一个在太阳能电池中实现高能量转换效率的理想范围，杨说。他指出，这种可调谐性在传统铁电体中很少发现。
杨说，在CGB材料在商业太阳能设备上首次亮相之前，还有更多的工作要做，但到目前为止，他对他们的结果感到兴奋。他说:“这种铁电钙钛矿材料，本质上是一种盐，出人意料地多才多艺。”“我们期待着在真正的光伏设备中测试它的真正潜力。”
