鹵化物鈣鈦礦（halide perovskites）長期被視為太陽能電池中矽材料的低成本替代品，但其不穩定性一直限制應用。現時，研究人員公布一種方法，能提升耐用性同時維持高效能。研究發現，化學添加劑可穩定鈣鈦礦薄膜，抵抗高溫及長時間壓力。美國 Rice University 的團隊開發改良前驅溶液，改善晶體形成並減緩降解。在實驗室測試中，薄膜在 194°F（約 90°C）加速老化條件下，經 1,200 小時後仍保留 98% 效率。
引導晶體生長及減緩降解
鈣鈦礦可液態或氣態加工，比矽更容易製造，但晶體結構易轉變為反射光線而非吸收光的無用形態。為解決此問題，研究人員在前驅溶液中加入二維鈣鈦礦及甲脒氯化物（formamidinium chloride）。前者作為晶體生長模板，後者調控結晶過程。「這項研究源於一個簡單卻持久的問題：我們能否製造極度穩定的太陽能電池——永不降解的電池？」Rice University 研究員 Rabindranath Garai 表示。
「在實驗室中，這問題揮之不去……我們意識到，要實現真正穩定，不僅要研究材料如何形成，還要了解其崩解機制。」
這些添加劑在晶格中產生壓縮應力，穩定高效吸收陽光的黑色相（black phase）。「以這種方式連接時，晶體極擅長吸收光線——事實上吸收得如此徹底，看起來呈黑色，因為所有入射光均被吸收，」研究員 Isaac Metcalf 解釋。「我們稱之為結晶的黑色相，這是太陽能電池唯一有用的形態。
」基於甲脒的鈣鈦礦常因結構不匹配而失穩，加熱可暫時修復，但冷卻後易復原。新方法透過有序晶體生長及漸進結晶，避免此循環。「可想像地面有格子孔洞，然後灑下一把彈珠，」Metcalf 比喻。「無格子時，彈珠四散；有格子則分別落入各孔。」
研究還發現，氯改變材料降解途徑。「我們證明氯實際進入晶格，從而改變降解方式，」Aditya Mohite 表示。材料避開常見低能量黃色相（yellow phase）降解，轉而經高能量途徑緩慢分解。
「不同於傳統黃色相降解，此共添加方法完全繞過，並引入能量更高的替代途徑，」Garai 補充。薄膜晶體更大且排列更佳，減少降解起始的弱點。團隊使用自製設備一次測試多達 100 個裝置。「以往靠燈光及熱板，每次僅測一個，」Faiz Mandani 說。「新降解單元讓我們同時測試 100 個。」此成果或助鈣鈦礦用於串聯太陽能電池，與矽配對可超 30% 效率。研究刊載於《Science》期刊。