目前市場上使用最廣泛的光伏電池材料是硅。硅性質穩定、價格便宜，而且將太陽能轉換爲電能的轉化效率也比較高。取代硅的新材料必須在以上方面比硅更優異且更便宜。上海交通大學、瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL洛桑）及沖繩科學技術大學院大學（OIST）的研究人員爲了打破目前這種硅材料獨霸光伏電池材料市場的局面，透過聯合研究發現了能有效生成電力，且高度穩定的新材料CsPbI₃。
聯合研究小組2019年8月9日在學術期刊《科學》上，介紹了CsPbI₃這種物質在保持高轉化效率的同時，在新的物質相中還能保持穩定性。CsPbI₃是一種無機鈣鈦礦材料，由於效率高、成本低，在光伏電池開發方面非常受歡迎。不過，這種材料難以實施穩定性，因此，本次研究實施的物質相穩定性特性引人注目。
在本次研究中擔任表面科學領域負責人的OIST教授戚亞冰表示：「研究成果表明，CsPbI₃能夠與行業領先的材料競爭，我們對此很滿意。目前正根據這個初步研究結果，努力提高材料的穩定性，以實施商業化。」
鈣鈦礦材料由於效率高且成本低，在光伏發電開發領域非常受歡迎。光會激發材料中的電子，使其作爲電流流動。上圖爲美國SLAC國家加速器實驗室的研究成果「Dancing atoms in perovskite materials provide insight into how solar cells work」。
CsPbI₃材料的晶體結構是我們所熟悉的α相或者暗相（因爲是黑色，所以稱爲暗相），此前得到了業界的廣泛研究。暗相的陽光吸收特性尤爲出色。但遺憾的是，由於這種結構不穩定，會迅速劣化爲黃色材料，導致陽光吸收能力降低。
本次研究探索了以前不太熟悉的β相的可能性。β相具有比α相更穩定的結構。不過，雖然特性更穩定，但缺點是電力轉化效率比α相低。
薄膜光伏電池常見的裂紋是造成效率低的終極因數之一。裂紋會導致電子流向光伏電池相鄰的層，這樣電子就無法作爲電流流動。研究小組爲開墾這些裂紋，利用碘化膽鹼溶液對材料進行了處理。透過處理，最適化了稱爲能階登記的光伏電池層間界面。
論文共同作者大野路易斯勝也博士表示：「電子會自然地流向電子位能較低的物質，因此重要的是相鄰層的能階要與CsPbI₃相同。這樣，層之間的乘積效應會減量流失的電子，從而生成更多的電力。」
要想最大限度減量從CsPbI₃（紅色表示的中氣層）到相鄰層的電子有效能損失，重要的是使所有層的能階（圖中的eV）的值相似。
本次研究得到了OIST技術開發創新中心的支援。研究小組利用紫外線光電子能譜術，調查了CsPbI₃與相鄰層之間的能階登記。收集的資料顯示了電子是如何在不同的層之間自由行程並生成電力的。
研究發現，利用碘化膽鹼進行處理後，層之間的能階登記得到改善，因此流向相鄰層的電子減量。透過開墾自然產生的裂紋，轉化效率由15％提高到了18％。
雖然這種技術進步看起來可能不起眼，但該技術將CsPbI₃這種材料的效率提高到了實用範圍，使其有能力與作爲競爭對手的光伏電池材料進行競爭。不過，雖然這項處於初期階段的研究成果前景被看好，但無機鈣鈦礦材料仍然比較落後。爲了讓CsPbI₃能夠真正地與硅進行競爭，研究小組預定接下來進一步致力於硅材料保持優勢的3項要素，即穩定性、成本和效率性。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
