英國改良太陽能材料性質,盼突破太陽光電轉換極限

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 23 日 17:00 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly

英國華威大學近日成功改良太陽能板中的 N 型與 P 型半導體,可望進一步提升光電轉換效率與電能。



根據發表在《Science》的論文,研究團隊首先分析當今商業太陽能電池結構,指出不少結構限制太陽能電池效能。目前大多太陽能電池由兩層組成,而具有正電荷載流子的 P 型半導體會跟負電荷 N 型半導體會在邊界形成接面。

當陽光被電池吸收時,PN 接面會產生電子電洞對(electron-hole pair),在內建電場的作用下,受到刺激的電子和失去電子的電洞會朝相反方向移動,進而產生電流與電壓。PN 接面為太陽能電池產電關鍵,但它具有效率限制,也就是傳說中的蕭基─奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit),即使在理想日照與溫度環境,太陽能板最高也只能轉換 33.7% 太陽光,因此團隊想要找出是否有其他材料可以從光中獲取能量。

團隊原本想說可利用一些半導體與絕緣體的批量光伏效應(bulk photovoltaic effect),這些材料由於中心不對稱性(non-centrosymmetric structure),產生的電壓可能會大於材料能隙,但是目前已知材料發電效率相當低之外,也沒有實際用於太陽光電系統中。因此研究試圖改良商用太陽能電池半導體材料,讓它們變成中心不對稱結構。

為找出解決辦法,研究希望能透過導電技術改變半導體形狀,其測試設備從原子力學顯微鏡到奈米壓痕試驗機(nano-indenter)都採用過,試圖擠壓和變形鈦酸鍶(SrTiO3)、二氧化鈦(TiO2)和矽。

團隊則發現這 3 種材料皆可以透過導電方式變形並達到中心不對稱,測試結果也顯示材料能產生批量光伏效應。

華威大學的物理系教授 Marin Alexe 表示,該材料不需要形成任何接面就能產生電,光吸收良好的半導體也都可以做為太陽能電池材料,更重要的是,這項改良技術可以克服蕭基─奎伊瑟極限。雖然工程上可能存有挑戰,但簡易玻璃製程也能讓半導體晶體變型,可望製造更多電池。假如這項技術將來可提升太陽能效率,對太陽能電池製造商和電力供應商來說具有龐大商業價值。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:shutterstock)