為鈣鈦礦電池尋出路,串疊型電池與鈦金屬是潛在良方

作者 | 發布日期 2018 年 02 月 23 日 8:30 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly

做為最受歡迎的再生能源產業,太陽能領域競爭非常激烈,目前市占率最高的太陽能電池為多晶矽與單晶矽等矽晶電池,但長江後浪推前浪,新興的鈣鈦礦電池正虎視眈眈盯著市占第一的寶座。美國布朗大學與內布拉斯加大學林肯分校(UNL)組成的團隊也致力於提升鈣鈦礦電池的性能,更找到取代有毒物質──「鉛」的材料。




鈣鈦礦電池具有便宜、製程容易的優點,光電轉換效率也從 2009 年的 3.81%,提升至可與矽晶電池比擬的 22%,近期的研究更提升到 26%,然而鈣鈦礦電池中的鉛物質具有毒性,可能會對生物與環境產生危害,因此化學材料學家紛紛尋找如何替代鉛或是解毒的方式。

布朗大學電機教授 Nitin Padture 表示,「目前鈣鈦礦的研究重點之一為尋找可替代鉛、無毒且穩定的材料,我們則利用電腦模擬,認為一種含銫、鈦和鹵素成分(溴或碘)的鈣鈦礦電池是個良好的候選材料,而目前我們正在測試它的屬性。」

與其直接將鈣鈦礦電池取代矽晶電池,該團隊試圖將兩者合二為一,製作出「串聯」太陽能電池。在電池設計中,鈣鈦礦薄膜位於矽層的上方,由於鈣鈦礦是半透明材質,能讓一些光穿透至下方的矽層,兩者合作可將更多光轉換成電能。

鈣鈦礦與矽晶電池各有各的優缺點,研究團隊希望可藉由設計多層、不同能隙的材料來提升光電轉換效率,Padture 表示,目前還不打算取代現有的矽晶技術,但團隊正在努力提高它的性能,如果可以能搶先製造出穩定的無鉛串疊型電池,那就會是未來的贏家,而這種新材料看起來非常不錯。

研究人員製造出 1.8 伏特的寬能隙鈦─鈣鈦礦薄膜,該薄膜可以吸收更高能量的光子,其他光子則由底下的矽層吸收。雖然目前光電效率僅 3.3%,遠低於矽晶電池或是其他鈣鈦礦電池,但研究人員表示,此為首次嘗試的新材料,目前還有許多改進的空間。

美國史丹佛大學材料科學與工程教授 Michael McGehee 今年(2018)初也提出了類似的電池設計,根據他的研究,串疊型電池的效率比一般的矽電池高 10%,這可能是鈣鈦礦材料攻入市場的方式之一。

這也不是研究人員第一次尋找鉛的替代材料,但該團隊表示這項鈦含量多,也更加防生鏽,並且提供的電壓比其他材料還要多。在其他無鉛的材料實驗中,開路電壓(Open-circuit voltage)通常僅 0.6 伏特,而錫金屬則會遇到生鏽的問題。

開路電壓為電池在無負載的情況下,電池正負極之間的電壓。Padture 表示,此電壓通常用來評估太陽能電池材料的潛力,一開始就有如此高的電壓,未來應該滿有前途的。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:布朗大學