在一天中，足够的阳光照射到地球上，为世界提供一整年的电力。如果我们能够找到一种廉价而有效地获取这种能量的方法，那能源问题将不再是问题。虽然太阳能的成本已经大幅下降，但目前的硅基太阳能电池价格昂贵，制造起来需要大量能源，这促使研究人员寻找替代品。


钙钛矿太阳能电池是下一代可再生能源的主要竞争者。这些合成材料更便宜，生产时需要更少的能源，但在稳定性和效率方面落后于许多硅基电池。


现在，研究小组，深入研究了钙钛矿的分子组成如何影响它们的效率，并使用一个简单的度量标准提供了一条通向更好的太阳能电池的道路。


目前3D混合钙钛矿光伏电池已经风靡全球，但它们会被水不可逆转地损坏，这是实际应用的阻碍。在2D杂化钙钛矿平面之间插入有机分子平面是一种有前途的方案，可以提供高效、低成本和鲁棒的太阳能电池。





在这项研究中，研究人员研究了一类被称为2D杂化钙钛矿的钙钛矿。与由3D晶体制成的钙钛矿相比，这些更稳定，像分子baklava一样具有金属和碳基的交替层分子。基于金属的层称为无机层，它与光相互作用产生电能，当其原子正确排列时效率最高。碳基或有机层由带正电荷的分子组成，以平衡带负电荷的无机层。


最初，普林斯顿大学的团队准备了一套含有不同有机分子的2D钙钛矿，研究这些分子如何影响无机层的排列和太阳能电池的效率。特别是，他们观察了一类短小灵活的有机分子，每个分子都有一个正电荷在一端。他们注意到分子类型影响太阳能电池的结构和能量效率，但不知道为什么或如何影响。他们需要原子论的洞察力来补充实验发现和假说。这将有助于解释该系统的高性能。


从当前的量子力学计算和电荷建模工作中，研究人员发现有机层中的分子可以相互作用，在钙钛矿的金属基层之间成对或之字形排列。


当形成这些对或之字形时，有机分子与基于金属的层的相互作用更少，给层空间以适当地排列，并提高所得太阳能电池的性能。有机分子越容易配对并脱离无机层，制成的太阳能电池效率就越高。





光是这个观察就提供了如何制造更好的钙钛矿的见解。但是Kakekhani想知道他是否能找到一种方法，用一个简单的值来描述有机层和无机层之间的相互作用，从而捕捉这种现象。测试后各种型号他找到了一个描述有机层中的相互作用将正电荷从无机层中拉出多远的方法。然后，他对其进行了测试，看看它是否可以预测无机层的排列情况以及太阳能电池的性能。


他没有使用实验数据来拟合模型，而是选择纯粹使用对化学物质如何相互作用的数学和物理理解来构建模型。这就是所谓的第一原理材料建模。


这类模型往往难以准确复制真实世界的结果，因为它们可能过于简单，只考虑了复杂实验中可能出现的现象的一小部分。当第一原理建模能够提供物理洞察力，并提高对如何将复杂问题简化为简单问题的理解，而不会对模型的保真度造成太大损害时，它就变得更加强大。


因为这种度量只需要一台计算机来预测太阳能电池的性能，它可以让科学家在进入实验室之前选择哪些分子可能在钙钛矿中工作得最好，帮助研究人员将他们的努力缩小到最有希望的候选人。


人们可以尝试数百万种分子。但是制造数百万块太阳能电池并不容易，这给了人们一个简单的评分规则，他们可以分析他们正在考虑的分子是否有可能提高太阳能电池的生产率。


在未来，这些见解也可能有助于钙钛矿型发光二极管。如果这些钙钛矿可以有效地将光转化为能量，那么它们应该可以在将能量转化为光时做类似的事情。该小组计划看看是否相同的模型适用于不同的无机层和更广泛的范围有机分子，或者是否需要考虑其他因素来准确地模拟钙钛矿。


就目前而言，该模型使用一个值来预测复杂太阳能电池的性能，该模型的简单性是其优势所在。