目前市场上使用最广泛的光伏电池材料是硅。硅性质稳定、价格便宜，而且将太阳能转换为电能的转换效率也比较高。取代硅的新材料必须在以上方面比硅更优异且更便宜。上海交通大学、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL洛桑）及冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究人员为了打破目前这种硅材料独霸光伏电池材料市场的局面，通过联合研究发现了能有效生成电力，且高度稳定的新材料CsPbI₃。
联合研究小组2019年8月9日在学术期刊《科学》上，介绍了CsPbI₃这种物质在保持高转换效率的同时，在新的物质相中还能保持稳定性。CsPbI₃是一种无机钙钛矿材料，由于效率高、成本低，在光伏电池开发方面非常受欢迎。不过，这种材料难以实现稳定性，因此，本次研究实现的物质相稳定性特性引人注目。
在本次研究中担任表面科学领域负责人的OIST教授戚亚冰表示：“研究成果表明，CsPbI₃能够与行业领先的材料竞争，我们对此很满意。目前正根据这个初步研究结果，努力提高材料的稳定性，以实现商业化。”
钙钛矿材料由于效率高且成本低，在光伏发电开发领域非常受欢迎。光会激发材料中的电子，使其作为电流流动。上图为美国SLAC国家加速器实验室的研究成果“Dancing atoms in perovskite materials provide insight into how solar cells work”。
CsPbI₃材料的晶体结构是我们所熟悉的α相或者暗相（因为是黑色，所以称为暗相），此前得到了业界的广泛研究。暗相的阳光吸收特性尤为出色。但遗憾的是，由于这种结构不稳定，会迅速劣化为黄色材料，导致阳光吸收能力降低。
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相更稳定的结构。不过，虽然特性更稳定，但缺点是电力转换效率比α相低。
薄膜光伏电池常见的裂纹是造成效率低的原因之一。裂纹会导致电子流向光伏电池相邻的层，这样电子就无法作为电流流动。研究小组为修复这些裂纹，利用碘化胆碱溶液对材料进行了处理。通过处理，优化了称为能级对准的光伏电池层间界面。
论文共同作者大野路易斯胜也博士表示：“电子会自然地流向电子势能较低的物质，因此重要的是相邻层的能级要与CsPbI₃相同。这样，层之间的乘积效应会减少流失的电子，从而生成更多的电力。”
要想最大限度减少从CsPbI₃（红色表示的中间层）到相邻层的电子损失，重要的是使所有层的能级（图中的eV）的值相似。
本次研究得到了OIST技术开发创新中心的支援。研究小组利用紫外光电子能谱法，调查了CsPbI₃与相邻层之间的能级对准。收集的数据显示了电子是如何在不同的层之间自由移动并生成电力的。
研究发现，利用碘化胆碱进行处理后，层之间的能级对准得到改善，因此流向相邻层的电子减少。通过修复自然产生的裂纹，转换效率由15％提高到了18％。
虽然这种技术进步看起来可能不起眼，但该技术将CsPbI₃这种材料的效率提高到了实用范围，使其有能力与作为竞争对手的光伏电池材料进行竞争。不过，虽然这项处于初期阶段的研究成果前景被看好，但无机钙钛矿材料仍然比较落后。为了让CsPbI₃能够真正地与硅进行竞争，研究小组预定接下来进一步致力于硅材料保持优势的3项要素，即稳定性、成本和效率性。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
