太陽能電池板對世界從替代能源中獲取電力的興趣大有裨益。然而，這項技術的一個缺點是，電池板和電池本身是由有毒和不環保的材料製成的。

華盛頓大學聖路易斯分校的工程師們與美國能源部(DoE)合作，旨在幫助解決這個問題，他們的一項發現為無毒性鈣鈦礦太陽能電池鋪平了道路。

由麥凱維工程學院機械工程和材料科學助理教授Rohan Mishra領導的研究小組發現了一種由鉀、鋇、碲、鉍和氧組成的新型半導體，有望取代鈣鈦礦太陽能電池中使用的鉛基半導體。

鈣鈦礦是一種具有晶體結構的複合材料，長期以來一直被認為是薄膜太陽能電池中領先的下一代材料。與硅相比，這種材料有許多優點，包括更高的效率和更低的電池生產成本。然而，這種材料通常還不像硅那樣穩定，這促使研究人員在材料和設計上探索新的選擇。

“我們知道現有的鈣鈦礦並不穩定，”該校助理副校長、能源、環境和化學工程系主任普拉蒂姆·比斯瓦斯(Pratim Biswas)教授在接受Design News採訪時承認。“雖然我們的製造方法提高了穩定性，但我們覺得選擇其他材料會更好。此外，避免有毒金屬……是一件大好事，因為我們不想解決一個能源問題，又增加一個環境問題。”

大海撈針

研究人員發現的無鉛雙鈣鈦礦氧化物半導體是目前存在的30000種潛在鉍基氧化物之一;研究人員說，在這些化合物中，只有25種是已知化合物。

為了從這些化合物中找出一種可行的半導體，研究人員使用了美國能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)世界上最快的超級計算機之一上的材料信息學和量子力學計算。

研究人員說，他們通過計算確定的半導體似乎是最穩定的，也可以在實驗室中合成。此外，在鈣鈦礦細胞中使用其活性的關鍵在於，雖然大多數氧化物往往具有較大的帶隙，但這種化合物具有較低的帶隙，類似於鹵化物鈣鈦礦材料。

帶隙是電子必須克服的能量障礙，才能形成自由載流子。就太陽能電池而言，這種載流子可以被提取出來，為電力設備或電池提供能量，供以後使用。陽光提供能量來克服這個障礙;研究人員說，較低的帶隙最終意味著更高的能源效率。

證明材料

比斯瓦斯說，一旦研究人員確定了這種可行的半導體，他們就開始合成這種材料，看看它是否具有預期的性能。下一步是用新發現的半導體制造太陽能電池。

“我們用理論和計算來篩選一系列材料，然後用我們創新的氣溶膠合成方法來製造太陽能電池，”他告訴Design News。“我們在這方面取得了成功，對我們的進展感到興奮。”

研究人員在《材料化學》雜誌上發表了一篇關於他們工作的論文。

比斯瓦斯說，研究小組的工作顯示出開發不含鉛的高效鈣鈦礦電池的前景，這種電池可以擴展到其他同樣使用半導體的應用領域。