在一项可能对未来能源政策产生深远影响的发现中，哥伦比亚科学家已经证明，通过使用一种新型材料制造比现有硅能电池效率更高的太阳能电池是可能的，这一发展可以帮助减少化石燃料消费。
该团队由哥伦比亚大学化学教授朱晓阳领导，致力于研究一种名为Hybrid Organic Inorganic Perovskites(HOIPs)的新型太阳能电池成分。他们在“ 科学 ”杂志上发表的研究结果也解释了为什么这些新材料比传统太阳能电池更有效-解开一个谜团，这可能促使科学家和工程师在未来几年内开始发明具有类似特性的新型太阳能材料。
“对可再生能源的需求推动了对太阳能电池技术的广泛研究，这些技术在燃烧化石燃料方面具有经济竞争力，”朱说。“在为下一代太阳能电池探索的材料中，HOIP已经成为一个超级巨星。到目前为止，还没有人能够解释为什么它们能够如此好地工作，以及我们可以做得多好。我们现在知道有可能制造HOIP基于太阳能电池的效率比任何人想象的都要高。“
太阳能电池将太阳光转化为电能。也称为光伏电池，这些半导体最常由薄的硅层制成，其在其结构上传输能量，将其转换为DC电流。
目前主导太阳能电池板市场的硅板必须具有99.999%的纯度，并且众所周知易碎且制造昂贵。即使是微观缺陷 - 例如错位，缺失或额外的离子 - 在这种晶体结构中也会对细胞在吸收太阳光时产生的电荷产生强大的影响，在它们转化为电流之前消散这些电荷。
2009年，日本科学家证明可以用HOIP制造太阳能电池，即使晶体有大量缺陷，这些电池也可以从阳光中获取能量。因为它们不需要是原始的，所以可以大规模且低成本地生产HOIP。哥伦比亚团队自2014年以来一直在调查HOIP。他们的研究结果可能有助于提高太阳能的使用，这是全球变暖时代的一个优先事项。
在过去七年中，科学家们设法提高了HOIP将太阳能转化为电能的效率，从4%提高到22%。相比之下，研究人员用了超过60年的时间来制造硅电池并使其达到目前的水平，甚至现在硅电池也可以将不超过太阳能量的25%转换成电流。
朱说，这一发现意味着“科学家们才刚刚开始利用HOIP的潜力将太阳能转化为电能。”
理论家们很久以前证明了硅太阳能电池可能达到的最高效率 - 太阳能中可能转化为电能的百分比 - 约为33%。通电电子需要几百纳秒才能从太阳能电池的太阳能电池部分移动到太阳能的一部分，电池能够收集能量，并将其转化为最终可以输入电网的电能。在穿过太阳能电池的这种迁移期间，通电的电子迅速耗散其多余的能量。但这些计算假定了特定的能量损失率。
“我们正在谈论可能使太阳能电池的效率翻倍，”Prakriti P. Joshi博士说。朱的实验室的学生是该论文的共同作者。“这真的很令人兴奋，因为它开辟了一个巨大的工程领域。” 朱镕基补充说：“这表明我们可以将太阳能电池的效率提高到许多人认为的可能性。”
在证明了这一点后，该团队转向了下一个问题：HOIPs的分子结构是什么让它们具有独特的性质?电子如何避免缺陷?他们发现减慢电子能量冷却的相同机制也可以保护电子免于碰撞到缺陷。这种“保护”使得HOIP对从室温和溶液处理开发的材料中普遍存在的缺陷视而不见，从而使不完美的材料表现得像完美的半导体。
HOIP含有铅，也是水溶性的，这意味着如果不小心保护元素，太阳能电池就会开始溶解并将铅浸入周围的环境中。
朱先生知道，通过解释使HOIP具有显着效率的神秘机制，材料科学家很可能能够用更环保的材料来模仿它们。
“现在我们可以回去设计对环境无害的材料，真正解决每个人都担心的问题，”朱说。“这一原则将使人们开始设计太阳能新材料。”
该研究小组由哥伦比亚大学的两名博士后研究员朱海明和宫野清明率先发起。其他成员包括哥伦比亚大学的研究生Jue Wang，Prakriti P. Joshi，Kristopher W. Williams和博士后Daniel Niesner; Yongping Fu和Song Jin，威斯康星大学麦迪逊分校的合作者; 该团队由哥伦比亚化学教授朱晓阳教授领导。该研究得到了美国能源部和国家科学基金会的资助。
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