提升 Kesterite 半導體的太陽能應用潛力,德國研究所把錫換成鍺

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 05 日 0:00 | 分類 太陽能 , 尖端科技 , 能源科技 follow us in feedly

硫銅錫鋅礦(kesterite)是由銅、錫、鋅和硒元素組成的半導體,可以當做太陽能電池的光吸收材料,但其轉換效率最高僅達到 12.6%,而由相似元素組成的銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池則早已達到 20%。




即使 kesterite 半導體轉換效率不高,但由於構成元素與 CIGS 太陽能相似,不會出現原料供應緊缺問題,因此該材料仍被認為是 CIGS 太陽能電池的替代選項。德國光電半導體元件實驗室 Helmholtz-Zentrum Berlin(HZB)團隊則致力於提升 kesterite 的太陽能應用潛力,並分析半導體構成與光電特性之間的關係,而在該研究中,團隊把錫元素替換成鍺(germanium)。

為了進一步分析材料,團隊在 HZB 的研究型反應爐 BER II 進行研究,利用中子繞射(neutron diffraction)檢測試樣(sample),此方式可將銅、鋅和鍺分開,讓他們可以待在晶格(crystal lattice)之內。

▲ 圖為傳統 Kesterite 陽離子的排列方式。(Source:HZB

研究結果顯示,高效率 kesterite 太陽能電池通常含有較少的銅與較多的鋅,而同時還擁有最低濃度點缺陷(point defect)與銅鋅失調。假如銅元素越多,越容易導致濃度點缺陷,而這些被認為會讓太陽能性能降低。

而研究也進一步探索 kesterite 試樣的材料能隙(energy band gap),主要作者 René Gunder 表示,材料能隙為半導體的特質。不同的能隙可吸收不同波段的太陽光,進而影響材料導電性與太陽能轉換效率,而研究指出,鍺金屬可以增加光學能隙,使材料能吸收更多的光,並增加太陽能電池轉換效率。

研究領導教授 Susan Schorr 指出,團隊相信這類型的 kesterites 半導體不僅可用於太陽能電池,也可以用在其他用途,例如光催化劑,利用太陽能將水分解成氫氣與氧氣,並以化學能的方式儲存太陽能。該研究已發表在晶體工程期刊《CrystEngComm》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Flickr/Katy Warner CC BY 2.0)