太阳能电池板，也称为光伏电池，依靠半导体设备或太阳能电池将来自太阳的能量转换为电能。为了发电，太阳能电池需要一个电场来将正电荷与负电荷分开。为了获得这个领域，制造商通常在太阳能电池中掺杂化学物质，使器件的一层带有正电荷，另一层带有负电荷。这种多层设计确保电子从器件的负极流向正极，这是器件稳定性和性能的关键因素。但化学掺杂和分层合成也在太阳能电池制造中增加了额外的昂贵步骤。

现在，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的科学家领导的一组研究人员与加州大学伯克利分校合作，展示了一种独特的解决方法，为太阳能电池制造提供了一种更简单的方法：一种具有内置电场——科学家称之为“铁电性”的一种特性。该材料于今年早些时候发表在《科学进展》杂志上。

这种新的铁电材料是在实验室中从三溴化铯锗(CsGeBr 3或 CGB)中生长出来的，为更容易制造太阳能电池设备的方法打开了大门。与传统的太阳能材料不同，CGB 晶体本质上是极化的，晶体的一侧积聚正电荷，另一侧积聚负电荷，无需掺杂。

除了铁电体之外，CGB 还是一种无铅“卤化物钙钛矿”，这是一种新兴的太阳能材料，与硅相比，它的可负担性和易于合成引起了研究人员的兴趣。但许多性能最好的卤化物钙钛矿天然含有铅元素。根据 2017 年在Materials Today Energy上发表的其他研究人员的说法，钙钛矿太阳能材料生产和处置中的铅残留物可能会污染环境并引发公众健康问题。由于这些原因，研究人员一直在寻找新的卤化物钙钛矿配方，这种配方可以在不影响性能的情况下避免使用铅。

“如果你能想象一种无铅太阳能材料，它不仅可以从太阳中获取能量，而且还具有自然、自发形成的电场的额外好处——太阳能和电子行业的可能性非常令人兴奋，”说共同资深作者杨培东，一位领先的纳米材料专家，以其在用于新型太阳能电池技术和人工光合作用的一维半导体纳米线方面的开创性工作而闻名。他是伯克利实验室材料科学部的资深科学家，也是加州大学伯克利分校的化学和材料科学与工程教授。

共同资深作者 Ramamoorthy Ramesh 说，CGB 还可以推进新一代的开关设备、传感器和对光做出反应的超稳定存储器，他拥有伯克利实验室材料科学部的高级科学家和材料科学教授的头衔。研究期间在加州大学伯克利分校从事工程学，现在是莱斯大学研究副总裁。

钙钛矿太阳能薄膜通常使用低成本溶液涂层方法制成，例如旋涂或喷墨印刷。与需要约 2,732 华氏度的加工温度才能制造成太阳能设备的硅不同，钙钛矿很容易在室温下从溶液加工到约 300 华氏度——对于制造商而言，这些较低的加工温度将大大降低能源成本。

但是，尽管钙钛矿太阳能材料对太阳能行业有潜在的推动作用，但除非研究人员克服了产品合成和稳定性以及材料可持续性方面的长期挑战，否则它们将无法进入市场。

确定完美的铁电钙钛矿

钙钛矿由三种不同的元素结晶而成;每个钙钛矿晶体由化学式 ABX 3描绘

大多数钙钛矿太阳能材料不是铁电材料，因为它们的晶体原子结构是对称的，就像雪花一样。在过去的几十年里，像 Ramesh 和 Yang 这样的可再生能源研究人员一直在寻找具有铁电势的奇异钙钛矿——特别是不对称钙钛矿。

几年前，当时在杨氏实验室担任加州大学伯克利分校研究生研究员的第一作者 Ye Zhang 想知道如何制造无铅铁电钙钛矿。她推测，在钙钛矿的中心放置一个锗原子会扭曲其结晶度，刚好足以产生铁电性。最重要的是，锗基钙钛矿将释放铅材料。(张现在是西北大学的博士后研究员。)

但即使张已经磨练了锗，仍然存在不确定性。毕竟，想出最好的无铅铁电钙钛矿配方就像大海捞针。有成千上万种可能的配方。

So Yang、Zhang 和团队与伯克利实验室分子铸造和材料科学部的科学家 Sinéad Griffin 合作，他专门为各种应用设计新材料，包括量子计算和微电子。

在材料项目的支持下，格里芬使用国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的超级计算机，根据一种称为密度泛函理论的方法进行高级理论计算。

通过这些以原子结构和化学物质为输入并可以预测电子结构和铁电性等特性的计算，格里芬和她的团队将目光投向了 CGB，这是唯一一个勾选了研究人员所有方框的全无机钙钛矿。铁电钙钛矿愿望清单：不对称吗?是的，它的原子结构看起来像一个菱形，矩形的弯曲表亲。真的是钙钛矿吗?是的，它的化学式——CeGeBr 3——与钙钛矿的 ABX 3结构相匹配。

研究人员推测，锗在晶体中心的不对称放置会产生一种电位，就像电场一样，将正电子与负电子分开以产生电能。但他们是对的吗?

测量 CGB 的铁电势

为了找出答案，张以出色的控制和精度生长出单晶 CGB 的微小纳米线(直径 100 至 1,000 纳米)和纳米板(约 200 至 600 纳米厚和 10 微米宽)。

“多年来，我的实验室一直试图找出如何用毒性较小的材料代替铅，”杨说。“Ye 开发了一种惊人的技术来生长单晶卤化锗钙钛矿——它是研究铁电性的绝佳平台。”

先进光源的 X 射线实验揭示了 CGB 的不对称晶体结构，这是一种铁电信号。加州大学欧文分校的潘晓庆领导的电子显微镜实验发现了更多关于 CGB 铁电性的证据：锗中心偏移的“位移”原子结构。

同时，张和加州大学伯克利分校物理学研究生研究员、该研究的合著者 Eric Parsonnet 在 Ramesh 实验室进行的电测量实验揭示了 CGB 中的可切换极性，满足了对铁电性的另一个要求。

但是最后的实验——在杨的加州大学伯克利分校实验室进行的光电导测量——产生了令人愉快的结果，也令人惊讶。研究人员发现，CGB 的光吸收是可调的——跨越可见光到紫外光(1.6 到 3 电子伏特)的光谱，这是在太阳能电池中实现高能量转换效率的理想范围，Yang 说。他指出，在传统的铁电体中很少发现这种可调性。

杨说，在 CGB 材料在商业太阳能设备中首次亮相之前，还有更多工作要做，但他对他们迄今为止的成果感到兴奋。“这种铁电钙钛矿材料本质上是一种盐，具有惊人的多功能性，”他说。“我们期待在真正的光伏设备中测试它的真正潜力。”