اختصاصی شبکه علمی ثریا- پنل های خورشیدی که به عنوان فتوولتائیک نیز شناخته می شوند برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته به دستگاه های نیمه هادی یا سلول های خورشیدی متکی هستند. برای تولید برق، سلول‌های خورشیدی به یک میدان الکتریکی نیاز دارند تا بارهای مثبت را از بارهای منفی جدا کند. برای دستیابی به این میدان سازندگان معمولا سلول خورشیدی را با مواد شیمیایی می سازند تا یک لایه از دستگاه بار مثبت و لایه دیگر بار منفی داشته باشد. این طراحی چند لایه تضمین می‌کند که الکترون‌ها از سمت منفی دستگاه به سمت مثبت جریان یابند که این مسئله عاملی کلیدی در پایداری و عملکرد دستگاه است. اما استفاده از مواد شیمیایی و سنتز لایه‌ای  مراحل پرهزینه‌ای را به تولید سلول‌های خورشیدی اضافه می‌کند. اکنون، تیمی از محققان به رهبری دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (DOE) با همکاری دانشگاه کالیفرنیا  راه حل منحصر به فردی را پیدا کرده اند که رویکرد ساده تری را برای تولید سلول های خورشیدی ارائه می دهد.استفاده از یک ماده کریستالی و یک دستگاه با میدان الکتریکی داخلی  خاصیتی را ایجاد می کنند که دانشمندان آن را «فروالکتریک» می‌نامند.

ماده فروالکتریک جدید که در آزمایشگاه از تری‌برومید سزیم و ژرمانیوم تولید می شود راه را به روی رویکرد آسان‌تری برای ساخت دستگاه‌های سلول خورشیدی باز می‌کند. بر خلاف مواد معمولی کریستال‌های (CGB) ذاتاً دو قطبی هستند  یک طرف کریستال بارهای مثبت و طرف دیگر بارهای منفی ایجاد می‌کند. علاوه بر فروالکتریک بودن (CGB) یک پروسکیت هالید بدون سرب است یک دسته نوظهور از مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی که به دلیل مقرون به صرفه بودن و سهولت سنتز در مقایسه با سیلیکون محققان را مجذوب خود کرده است. اما بسیاری از پروسکیت  هالیدها با بهترین عملکرد نیز به طور طبیعی حاوی عنصر سرب هستند. به گفته محققان بقایای سرب حاصل از تولید و دفع مواد در سلول های خورشیدی می‌تواند محیط‌زیست را آلوده کرده و نگرانی‌های بهداشتی و عمومی ایجاد کند. به این دلایل، محققان به دنبال فرمول‌های هالید پروسکیتی هستند که بدون کاهش عملکرداستفاده از سرب را کنار بگذارند.

اگر بتوانید یک ماده بدون سرب را در سلول های خورشیدی تصور کنید می بینید که نه تنها انرژی را از خورشید به خوبی در یافت می کند بلکه دارای یک میدان الکتریکی طبیعی است که خود به خود تشکیل شده است این موضوع برای صنایع الکترونیک بسیار هیجان انگیز است. این کار توسط پیدونگ یانگ، متخصص برجسته نانومواد  در زمینه نانوسیم های نیمه هادی یک بعدی برای فناوری های جدید سلول های خورشیدی و فتوسنتز مصنوعی انجام شده است. او دانشمند ارشد دانشکده در بخش علوم و مواد آزمایشگاه برکلی و استاد شیمی و علم و مهندسی مواد در دانشگاه کالیفرنیا است. (CGB)  می‌تواند نسل جدیدی از دستگاه‌های سوئیچینگ، حسگرها و حافظه‌های فوق‌پایدار را که به نور پاسخ می‌دهند، ارتقا دهد.

 پروسکیت هالیدها معمولاً با استفاده از روش‌های پوشش‌دهی محلول و کم‌هزینه مانند پوشش اسپین یا چاپ جوهر افشان ساخته می‌شوند و بر خلاف سیلیکون که برای تولید به دمای پردازش حدود ۲۷۳۲ درجه فارنهایت نیاز دارد پروسکیت ها به راحتی در دمای حدود ۳۰۰ درجه فارنهایت پردازش می شوند که این دمای پردازش پایین به طور چشمگیری هزینه های مصرف انرژی را کاهش می دهد. اما پروسکیت ها علیرغم افزایش استفاده در بخش انرژی خورشیدی تا زمانی که محققان بر چالش های طولانی مدت آنها در سنتز و پایداری محصول و پایداری مواد غلبه نکنند آماده بازار نیستند. پروسکیت ها از سه عنصر مختلف متبلور می شوند و هر کریستال پروسکیت با فرمول شیمیایی (ABX3) مشخص می شود. بیشتر مواد پروسکیت فروالکتریک نیستند زیرا ساختار اتمی کریستالی آنها مانند دانه های برف متقارن است. در چند دهه گذشته، محققان انرژی های تجدیدپذیر مانند رامش و یانگ در جستجوی پروسکیت های عجیب و غریب با پتانسیل فروالکتریک به ویژه پروسکیت های نامتقارن بودند.

چند سال پیش ژانگ که محقق و دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کالیفرنیا در آزمایشگاه بود به این فکر کرد که چگونه می تواند پروسکیت فروالکتریک بدون سرب بسازد. او این نظریه را مطرح کرد که قرار دادن یک اتم ژرمانیوم در مرکز پروسکیت بلورینگی آن را به قدری مخدوش می کند که فروالکتریسیته ایجاد می کند. علاوه بر این یک پروسکیت مبتنی بر ژرمانیوم می تواند مواد سرب را آزاد کند. اما با وجود اینکه ژانگ روی ژرمانیوم پیشرفت کرده بوداما هنوز ابهاماتی وجود داشت. به هر حال، ایجاد بهترین فرمول پروسکیت بدون سرب و فروالکتریک مانند یافتن یک سوزن در انبار کاه بود.

بنابراین یانگ، ژانگ و تیم او با گریفین، دانشمند بخش ریخته‌گری مولکولی و علوم مواد آزمایشگاه برکلی که در طراحی مواد جدید برای کاربردهای مختلف، از جمله محاسبات کوانتومی و میکروالکترونیک تخصص داشت همکاری کردند. با پشتیبانی پروژه مواد، گریفین از ابررایانه‌های مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی (NERSC) برای انجام محاسبات نظری پیشرفته بر اساس روشی به نام تئوری چگالی عملکردی استفاده کرد. این محاسبات ساختار اتمی و گونه‌های شیمیایی را به‌عنوان ورودی می‌گیرد و می‌تواند ویژگی‌هایی مانند ساختار الکترونیکی و فروالکتریکی را پیش‌بینی کند. گریفین و تیمش (CGB) را که تنها پروسکیت غیرآلی است از تمام جنبه‌ها بررسی کردند وسرب آن را به صفر رساندند‌. ساختار اتمی آن نامتقارن و شبیه یک لوزی است و فرمول شیمیایی آن  (CeGeBr3)  با ساختار مشخص پروسکیت (ABX3) مطابقت دارد. محققان این نظریه را مطرح کردند که قرارگیری نامتقارن ژرمانیوم در مرکز کریستال پتانسیلی ایجاد می کند که مانند یک میدان الکتریکی، الکترون های مثبت را از الکترون های منفی جدا می کند تا الکتریسیته تولید کند.

اندازه گیری پتانسیل فروالکتریک (CGB):

برای پی بردن به این موضوع، ژانگ نانوسیم های کوچک با (قطر ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر) و نانو صفحاتی با قطر حدود (۶۰۰ نانومتر ضخامت و ۱۰ میکرون عرض) از (CGB) تک کریستالی را با کنترل و دقت استثنایی تولید کرد. یانگ می‌گوید: آزمایشگاه من سال‌هاست که در تلاش بوده تا بفهمد که چگونه سرب را با مواد دیگر جایگزین کند. آزمایشات اشعه ایکس در منبع نور پیشرفته، ساختار کریستالی نامتقارن (CGB) را نشان داد که یک سیگنال فروالکتریکی است. آزمایش‌های میکروسکوپ الکترونی نیز شواهد بیشتری از فروالکتریکی بودن (CGB) را کشف کرد. در این ساختار اتمی یک جابجایی در مرکز آن توسط ژرمانیوم انجام شده است.

در همین حال، آزمایش‌های اندازه‌گیری الکتریکی که در آزمایشگاه رامش توسط ژانگ و اریک پارسونت، محقق دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک دانشگاه برکلی انجام شد یک قطبیت قابل تغییر در (CGB) را نشان داد. اما آزمایش نهایی  اندازه‌گیری‌های رسانایی نوری در آزمایشگاه UC برکلی بود که نتیجه‌ای لذت‌بخش و شگفت‌انگیز داشت. محققان دریافتند که جذب نور (CGB) قابل تنظیم است و طیف نور مرئی تا فرابنفش (۱.۶ تا ۳ الکترون ولت) را در بر می گیرد که محدوده ایده آلی برای ایجاد راندمان تبدیل انرژی بالا در یک سلول خورشیدی است. چنین قابلیت تنظیمی به ندرت در فروالکتریک های سنتی یافت می شود. هنوز کارهای بیشتری باید انجام شود تا مواد (CGB) بتوانند در یک سلول خورشیدی تجاری به کار روند. ماده فروالکتریک پروسکیت هالید به طرز شگفت‌آوری همه کاره است. همه مشتاقانه منتظر آزمایش پتانسیل واقعی آن در یک دستگاه فتوولتائیک واقعی هستند.