太陽能電池板，也稱為光伏電池，依靠半導體設備或太陽能電池將來自太陽的能量轉換為電能。為了發電，太陽能電池需要一個電場來將正電荷與負電荷分開。為了獲得這個領域，制造商通常在太陽能電池中摻雜化學物質，使器件的一層帶有正電荷，另一層帶有負電荷。這種多層設計確保電子從器件的負極流向正極，這是器件穩定性和性能的關鍵因素。但化學摻雜和分層合成也在太陽能電池制造中增加了額外的昂貴步驟。

現在，由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的科學家領導的一組研究人員與加州大學伯克利分校合作，展示了一種獨特的解決方法，為太陽能電池制造提供了一種更簡單的方法：一種具有內置電場——科學家稱之為“鐵電性”的一種特性。該材料于今年早些時候發表在《科學進展》雜志上。

這種新的鐵電材料是在實驗室中從三溴化銫鍺(CsGeBr 3或 CGB)中生長出來的，為更容易制造太陽能電池設備的方法打開了大門。與傳統的太陽能材料不同，CGB 晶體本質上是極化的，晶體的一側積聚正電荷，另一側積聚負電荷，無需摻雜。

除了鐵電體之外，CGB 還是一種無鉛“鹵化物鈣鈦礦”，這是一種新興的太陽能材料，與硅相比，它的可負擔性和易于合成引起了研究人員的興趣。但許多性能最好的鹵化物鈣鈦礦天然含有鉛元素。根據 2017 年在Materials Today Energy上發表的其他研究人員的說法，鈣鈦礦太陽能材料生產和處置中的鉛殘留物可能會污染環境并引發公眾健康問題。由于這些原因，研究人員一直在尋找新的鹵化物鈣鈦礦配方，這種配方可以在不影響性能的情況下避免使用鉛。

“如果你能想象一種無鉛太陽能材料，它不僅可以從太陽中獲取能量，而且還具有自然、自發形成的電場的額外好處——太陽能和電子行業的可能性非常令人興奮，”說共同資深作者楊培東，一位領先的納米材料專家，以其在用于新型太陽能電池技術和人工光合作用的一維半導體納米線方面的開創性工作而聞名。他是伯克利實驗室材料科學部的資深科學家，也是加州大學伯克利分校的化學和材料科學與工程教授。

共同資深作者 Ramamoorthy Ramesh 說，CGB 還可以推進新一代的開關設備、傳感器和對光做出反應的超穩定存儲器，他擁有伯克利實驗室材料科學部的高級科學家和材料科學教授的頭銜。研究期間在加州大學伯克利分校從事工程學，現在是萊斯大學研究副總裁。

鈣鈦礦太陽能薄膜通常使用低成本溶液涂層方法制成，例如旋涂或噴墨印刷。與需要約 2,732 華氏度的加工溫度才能制造成太陽能設備的硅不同，鈣鈦礦很容易在室溫下從溶液加工到約 300 華氏度——對于制造商而言，這些較低的加工溫度將大大降低能源成本。

但是，盡管鈣鈦礦太陽能材料對太陽能行業有潛在的推動作用，但除非研究人員克服了產品合成和穩定性以及材料可持續性方面的長期挑戰，否則它們將無法進入市場。

確定完美的鐵電鈣鈦礦

鈣鈦礦由三種不同的元素結晶而成;每個鈣鈦礦晶體由化學式 ABX 3描繪

大多數鈣鈦礦太陽能材料不是鐵電材料，因為它們的晶體原子結構是對稱的，就像雪花一樣。在過去的幾十年里，像 Ramesh 和 Yang 這樣的可再生能源研究人員一直在尋找具有鐵電勢的奇異鈣鈦礦——特別是不對稱鈣鈦礦。

幾年前，當時在楊氏實驗室擔任加州大學伯克利分校研究生研究員的第一作者 Ye Zhang 想知道如何制造無鉛鐵電鈣鈦礦。她推測，在鈣鈦礦的中心放置一個鍺原子會扭曲其結晶度，剛好足以產生鐵電性。最重要的是，鍺基鈣鈦礦將釋放鉛材料。(張現在是西北大學的博士后研究員。)

但即使張已經磨練了鍺，仍然存在不確定性。畢竟，想出最好的無鉛鐵電鈣鈦礦配方就像大海撈針。有成千上萬種可能的配方。

So Yang、Zhang 和團隊與伯克利實驗室分子鑄造和材料科學部的科學家 Sinéad Griffin 合作，他專門為各種應用設計新材料，包括量子計算和微電子。

在材料項目的支持下，格里芬使用國家能源研究科學計算中心 (NERSC) 的超級計算機，根據一種稱為密度泛函理論的方法進行高級理論計算。

通過這些以原子結構和化學物質為輸入并可以預測電子結構和鐵電性等特性的計算，格里芬和她的團隊將目光投向了 CGB，這是唯一一個勾選了研究人員所有方框的全無機鈣鈦礦。鐵電鈣鈦礦愿望清單：不對稱嗎?是的，它的原子結構看起來像一個菱形，矩形的彎曲表親。真的是鈣鈦礦嗎?是的，它的化學式——CeGeBr 3——與鈣鈦礦的 ABX 3結構相匹配。

研究人員推測，鍺在晶體中心的不對稱放置會產生一種電位，就像電場一樣，將正電子與負電子分開以產生電能。但他們是對的嗎?

測量 CGB 的鐵電勢

為了找出答案，張以出色的控制和精度生長出單晶 CGB 的微小納米線(直徑 100 至 1,000 納米)和納米板(約 200 至 600 納米厚和 10 微米寬)。

“多年來，我的實驗室一直試圖找出如何用毒性較小的材料代替鉛，”楊說。“Ye 開發了一種驚人的技術來生長單晶鹵化鍺鈣鈦礦——它是研究鐵電性的絕佳平臺。”

先進光源的 X 射線實驗揭示了 CGB 的不對稱晶體結構，這是一種鐵電信號。加州大學歐文分校的潘曉慶領導的電子顯微鏡實驗發現了更多關于 CGB 鐵電性的證據：鍺中心偏移的“位移”原子結構。

同時，張和加州大學伯克利分校物理學研究生研究員、該研究的合著者 Eric Parsonnet 在 Ramesh 實驗室進行的電測量實驗揭示了 CGB 中的可切換極性，滿足了對鐵電性的另一個要求。

但是最后的實驗——在楊的加州大學伯克利分校實驗室進行的光電導測量——產生了令人愉快的結果，也令人驚訝。研究人員發現，CGB 的光吸收是可調的——跨越可見光到紫外光(1.6 到 3 電子伏特)的光譜，這是在太陽能電池中實現高能量轉換效率的理想范圍，Yang 說。他指出，在傳統的鐵電體中很少發現這種可調性。

楊說，在 CGB 材料在商業太陽能設備中首次亮相之前，還有更多工作要做，但他對他們迄今為止的成果感到興奮。“這種鐵電鈣鈦礦材料本質上是一種鹽，具有驚人的多功能性，”他說。“我們期待在真正的光伏設備中測試它的真正潛力。”