钙钛矿是一种非常便宜的硅替代品它的效率要高得多

硅是一种标准的半导体材料，广泛应用于计算机中央处理器 (CPU)、半导体芯片、探测器和太阳能电池，是一种丰富的天然材料。然而，开采和提纯的成本很高。

钙钛矿——一类因其晶体结构而得名的材料——近年来显示出非凡的前景，作为太阳能电池和探测器中硅的更便宜、同样高效的替代品。现在，由罗切斯特大学光学教授郭春雷领导的一项研究表明，钙钛矿可能变得更加高效。

研究人员通常在湿式实验室中合成钙钛矿，然后将该材料作为薄膜应用于玻璃基板上并探索各种应用

郭反而提出了一种新颖的、基于物理学的方法。通过使用金属层或金属和介电材料交替层(而不是玻璃)作为基底，他和他的合作者发现他们可以将钙钛矿的光转换效率提高 250%。

他们的发现发表在Nature Photonics上。

“没有其他人对钙钛矿进行过这种观察，”郭说。“突然之间，我们可以在钙钛矿下方放置一个金属平台，从而彻底改变钙钛矿内电子的相互作用。因此，我们使用物理方法来设计这种交互。”

新型钙钛矿-金属组合创造了“许多令人惊讶的物理学”

金属可能是自然界中最简单的材料，但可以通过制造获得复杂的功能。郭实验室在这方面有丰富的经验。该实验室开创了一系列将简单金属转化为漆黑、超亲水(吸水)或超疏水(疏水)技术。在他们最近的研究中，增强金属已被用于太阳能吸收和水净化。

在这篇新论文中，Guo 实验室没有提出增强金属本身的方法，而是演示了如何使用金属来提高钙钛矿的效率。

郭说：“一块金属可以在湿实验室中完成与复杂化学工程一样多的工作，”他补充说，这项新研究可能对未来的太阳能收集特别有用。

郭解释说，在太阳能电池中，来自太阳光的光子需要与电子相互作用并激发电子，使电子离开原子核并产生电流。理想情况下，太阳能电池将使用弱材料将激发的电子拉回原子核并停止电流。

郭的实验室证明，通过将钙钛矿材料与一层金属或由银、贵金属和氧化铝(一种电介质)交替层组成的超材料基板结合，可以大大防止这种复合。

郭说，结果是通过“许多令人惊讶的物理学”显着减少了电子复合。实际上，金属层起到了镜子的作用，它产生了电子-空穴对的反转图像，削弱了电子与空穴复合的能力。

该实验室能够使用一个简单的检测器来观察由此产生的光转换效率提高 250%。

在钙钛矿实际应用之前，必须解决几个挑战，尤其是它们降解相对较快的趋势。目前，研究人员正在竞相寻找新的、更稳定的钙钛矿材料。

“随着新钙钛矿的出现，我们可以使用我们基于物理学的方法进一步提高它们的性能，”郭说。

合著者包括 Guo Lab 的现任和前任成员 Kwang Jin Lee、Ran Wei、Jihua Zhang 和 Mohamed Elkabbash，以及长春工业研究院的 Ye Wang、Wenchi Kong、Sandeep Kumar Chamoli、Tao Huang 和 Weili Yu中国的光学、精密机械和物理学。

比尔和梅琳达盖茨基金会、陆军研究办公室和国家科学基金会支持这项研究。