利用太阳能的_超级计算机发现太阳能电池用无铅钙钛矿半导体

利用太阳能的

KBaTeBiO6的原子模型(左)是潜在太阳能电池板中最有希望的30，000种氧化物之一。

美国安装的太阳能电池板数量正在增加。根据美国太阳能产业协会和伍德·麦肯齐电力和可再生能源公司(Wood Mackenzie Power and Renewable Energy Company)最近发布的一份报告，2019年初，美国将新增200多万套太阳能发电设备，这是有史以来第一季度新安装的最大数量。为了满足日益增长的需求，最广泛使用的硅基太阳能电池需要低成本和更有效的替代品。

在过去的十年中，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，铅有毒，会对健康和环境造成潜在危害，例如地下水污染。圣路易斯华盛顿大学的一组工程师利用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、毒性更小的太阳能半导体。

他们的研究结果在线发表在《材料化学》杂志上。麦克维工程学院机械工程与材料科学助理教授罗汉·米什拉(Rohan Mishra)领导了一个跨学科的国际团队，发现了一种由钾、钡、碲、铋和氧组成的新半导体(KBaTeBiO6)。

无铅双钙钛矿氧化物是首批30，000种潜在铋基氧化物之一。在这30，000种化合物中，只有25种是已知化合物。米什拉在橡树岭国家实验室的实验室在世界上最快的超级计算机之一上使用材料信息学和量子力学计算发现KBaTeBiO6是30，000种潜在氧化物中最有前途的。这似乎是最稳定的化合物，可以在实验室合成。更重要的是，尽管大多数氧化物倾向于具有较大的能带，我们预测这种新化合物具有较小的带隙，接近卤化物钙钛矿，并且具有相当好的性能。

带隙是电子为了形成自由载流子必须克服的能量屏障。在太阳能电池中，这种载体可以被提取出来为电气设备供电，或者储存在电池中以备后用。克服这个障碍的能量是由阳光提供的。最有可能应用于太阳能电池的化合物的带隙约为1.5电子伏。正如所预测的那样，一旦它可以合成，它是稳定的，预测带隙为1.88电子伏。

这是第一代太阳能电池，需要对带隙进行更精细的调整，但这是迈向无毒太阳能电池的良好的第一步。这表明我们可以远离这些卤化铅钙钛矿。“这为半导体设计开辟了一个非常大的空空间，不仅适用于太阳能电池应用，也适用于液晶显示器等其他半导体应用。