美国的太阳能电池板安装数量正在上升据美国太阳能产业协会(Solar Energy Industries Association)和Wood Mackenzie Power & co .最近发布的一份报告，2019年初美国将新增逾200万套太阳能发电设备，是有史以来第一季度新增装机数量最多的一年可再生能源。
为了满足日益增长的需求，目前使用最广泛的硅基太阳能电池的低成本和更有效的替代品是可取的。在过去的十年里，卤化铅钙钛矿已经成为最有前途的替代材料;然而，它们是不稳定的。它们含有铅，铅是有毒的，会对健康和环境造成潜在的危害，比如地下水污染。
Mishra华盛顿大学圣路易斯分校的一个工程师团队利用一种通过数据分析和量子力学计算发现的新型双钙钛矿氧化物，发现了一种更稳定、毒性更小的半导体，用于太阳能应用。
他们的研究成果于6月11日在线发表在《材料化学》杂志上。
Rohan Mishra，机械工程助理教授麦凯维工程学院的材料科学领导了一个跨学科的国际团队，发现了由钾、钡、碲、铋和氧(KBaTeBiO6)组成的新半导体。无铅双钙钛矿氧化物是最初30,000种潜在铋基氧化物之一。在这3万种化合物中，只有25种是已知化合物。
米什拉位于橡树岭国家实验室的实验室博士生阿拉什迪普辛格辛德(Arashdeep Singh Thind)利用世界上速度最快的超级计算机之一上的材料信息学和量子力学计算，发现KBaTeBiO6是3万种潜在氧化物中最有前途的一种。
“我们发现这看起来是最稳定的化合物，它可以在实验室合成，”Mishra说。“更重要的是，尽管大多数氧化物往往具有较大的能带，但我们预测，这种新化合物的带隙更小，接近卤化物钙钛矿，并且具有相当好的性能。”
带隙是电子必须克服的能量障碍，才能形成自由载流子。在太阳能电池中，这种载流子可以被提取出来为电力设备供电，或者储存在电池中供以后使用。克服这一障碍的能量是由阳光提供的。Mishra说，最有希望应用于太阳能电池的化合物的带隙约为1.5 eV，即电子伏特。
Mishra与露西大学副校长助理Pratim Biswas讨论了合成KBaTeBiO6的可能性斯坦利·洛帕塔(Stanley Lopata)教授，能源、环境和能源系主任化学工程。莎莉妮·卡瓦迪亚(Shalinee Kavadiya)当时是麦凯维工程专业的博士生，现在是亚利桑那州立大学(Arizona State University)的博士后研究员。
Mishra说:“Shalinee花了大约6个月的时间来合成这种材料。”“正如我们预测的那样，一旦她能够合成它，它就稳定了，带隙为1.88 eV，这也是我们预测的。”
Mishra说，这些是第一代太阳能电池，需要对带隙进行更多的微调，但这是向无毒太阳能电池迈出的良好的第一步。
Mishra说:“这表明我们可以远离这些含铅卤化物钙钛矿。”“这为半导体设计开辟了一个非常大的空间，不仅是为太阳能电池应用，也为LCD显示器等其他半导体应用。”
接下来，研究小组将研究这种新型半导体中任何缺陷的作用，并研究更先进的合成技术，包括气溶胶技术。
Thind AS, Kavadiya S, Kouhnavard M, Wheelus R, Cho SB, Lin L-Y, Kacica C, Mulmudi HK, Unoici KA, Borisevic AY, Pilania G, Biswas P, Mishra R. KBaTeBiO6:用于光伏应用的无铅无机双钙钛矿半导体。《材料化学》，2019年6月11日在线出版。https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b01025
这项工作的资金由美国国家科学基金会(1806147)和橡树岭联合大学的Ralph E. Powe青年教师增强奖提供。
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