随着煤炭、石油和天然气等能源的逐渐枯竭，以及这些能源使用过程中所带来的环境污染，寻找清洁、高效的新能源迫在眉睫。这其中太阳能无疑是首选的方案之一。而要实现太阳能的高效转化和利用，设计优异的太阳能电池材料是关键。作为最有潜力的新型太阳能电池材料之一，杂化钙钛矿因其优异的能量转换效率和低廉的生产成本受到了广泛的关注。当前大量的科学家仍在为进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率不懈努力。而实现这一目标的关键是厘清杂化钙钛矿在将太阳能转换成电能过程中能量的微观损失机制。近日，北京计算科学研究中心张燮教授与美国加州大学圣芭芭拉分校ChrisG. Van de Walle院士最新的研究发现部分氢原子的缺失（即氢空位缺陷的形成）是限制杂化钙钛矿效率提升的关键因素。该研究成果于2021年4月29日发表在国际顶级材料期刊《Nature Materials》上。全文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-021-00986-5
当太阳光照在太阳能电池板上，位于电池材料价带中的电子会吸收光子的能量跃迁到导带中，从而形成了电子和空穴对，统称为载流子。太阳能电池的目标是尽可能多地将电子和空穴捕捉到，并将其转换成电流，实现光能向电能的转换。然而，电子和空穴也会重新结合，释放出光或者使材料发热，造成能量的损失；该过程称为载流子复合。通过近年来对载流子复合过程的系统研究，该团队首先确定了电子和空穴通过材料的点缺陷发生非辐射复合是导致杂化钙钛矿太阳能电池能量损失的主要原因（X. Zhang et al., Adv. Energy Mater. 10, 1902830 (2020)）。那么，找到这些有害的缺陷就成为了进一步提高效率的关键。图1展示了最典型的杂化钙钛矿MAPbI3(MA: CH3NH3)的晶体结构。过去众多的缺陷研究往往将MA分子看作是一个不可分割的整体，分析与MA相关的空穴、间隙以及反位缺陷。但实际上，MA分子内部还可以细分，形成其他的点缺陷。最为直接的当属氢原子空位。通过将C原子或者N原子周围的一个氢原子移除，可形成两种氢空位缺陷：VH(C)和VH(N)。精确的量子力学第一性原理计算表明：VH(N)缺陷不但容易形成，而且会导致非常强的电子和空穴的非辐射复合，将光能转换成了声子，即让材料发热（如图1红色箭头所示），显著影响了MAPbI3的能量转换效率。
