鈣鈦礦結合鉀,太陽能電池效率再提升

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 22 日 17:48 | 分類 光電科技 , 材料、設備 , 能源科技 follow us in feedly

鈣鈦礦電池是下一代太陽能電池中最具競爭力者,而劍橋大學團隊現在發現只要透過添加碘化鉀,就能再提升鈣鈦礦太陽能電池的效率達 21.5%,將更多陽光轉為電力。



研究人員這樣描述:碘化鉀「治癒」了鈣鈦礦太陽能電池僵化的離子行為,這缺陷已限制便宜的鈣鈦礦電池提升效率多年。

鈣鈦礦做為一種極有前途的離子半導體材料,從首次發現至今短短幾年就在商業薄膜光伏技術中產生競爭力,由於成本低廉、可低溫產製,對太陽能電池與照明設備商有莫大吸引力。

但還是有些條件妨礙了鈣鈦礦的效率,比如鈣鈦礦結晶結構中的微小缺陷常被稱為「陷阱」,可能會導致電子在能量被利用前「卡住」,而電子在太陽能電池材料中移動越容易,光子被轉化成電的效率越高;另一個問題是,離子於陽光照射時在電池中移動會導致能隙(band gap)發生變化,改變材料吸收的光。

劍橋大學研究人員 Sam Stranks 表示,到目前為止,科學家都還沒有找到可使材料能隙保持穩定的方法,所以只能試圖調整鈣鈦礦層的化學組成來固定離子運動,而這使鈣鈦礦搖身變成彩色 LED 材料而非太陽能電池。

在新實驗裡,研究人員於墨水中添加碘化鉀,等墨水乾掉就會留下化學組成改變的鈣鈦礦層薄膜。科學家發現,碘化鉀於鈣鈦礦層頂部形成的「裝飾層」可以「癒合」陷阱,讓電子更自由移動並固定離子運動,使材料擁有穩定能隙,這代表串聯的鈣鈦礦太陽能電池將變得更高效。

而鈣鈦礦與鉀結合表現出良好穩定性,轉換效率達 21.5%,與最好的鈣鈦礦太陽能電池相似,離矽太陽能電池的實際效率極限(29%)也不遠。若是由 2 個具理想帶隙的鈣鈦礦層製成串聯電池,可能具有 45% 的理論效率極限和 35% 的實際極限──全高於當前矽電池的實際效率極限。

與其他光伏技術不同,由於鈣鈦礦非常隨和,科學家無需添加額外有機層,只要透過不同材料與比例混合就能得出不同的光學特性與電性表現,任何一種新組成都可能讓鈣鈦礦性能變得更好。新研究發表在《自然》期刊。

(首圖來源:劍橋大學