中美大學攜手利用噴塗技術,提升鈣鈦礦光電轉換效率 30%

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 27 日 13:50 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly

做為最受歡迎再生能源產業,太陽光電領域競爭激烈,其中鈣鈦礦太陽能更是虎視眈眈盯著矽晶電池的太陽能市占第一寶座。



美國紐約大學、耶魯大學、約翰霍普金斯大學與中國北京大學、電子科技大學攜手合作,近日宣布已突破當前鈣鈦礦電池商業化難題,並將光電轉換效率從 13% 提升到 17%。

近年來科學家發現鈣鈦礦在太陽光電的應用潛力,光電轉換效率在 9 年間提升 6 倍,從 2009 年的 3.8% 進步到如今的 22.7%,更有不少研究團隊透過串疊設計將矽與鈣鈦礦結合,將光電轉換效率突破至 25%。

但世上也沒那麼好康的事情,鈣鈦礦並非無所不能的太陽光電技術,該太陽能電池含有毒元素鉛、存有遇熱衰減問題,科學家也難以在鈣鈦礦晶體上均勻覆塗電子傳輸層(electron transport layer,ETL)。雖然現在科學家已研發出無鉛或是無機鈣鈦礦解決部分問題,實驗室電池的轉換效率也逐年提高,更已達到小規模商業化,但如何使用低成本方式均勻覆塗 ETL 層,一直是科學家絞盡腦汁想突破的障礙。

太陽光電結構很像三明治、通常都是層層疊疊堆起,而鈣鈦礦電池由上至下為玻璃、導電玻璃 FTO、帶負電的 ETL、光敏層、正電的空穴傳輸層(HTM)和金屬電極,ETL 與 HTM 位置則會依據不同鈣鈦礦設計互換,而所謂的 PIN 結構即是 HTM→光敏層(i)→ETL。

紐約大學坦登工程學院化學與生物分子系助理教授 Andre D. Taylor 表示,這類電池當前挑戰在於,要怎麼組裝才不會破壞電池其他結構,因此目前 PIN 的 ETL 設計研究非常少。

其中最為常見技術為旋塗法(spin-coating),利用向心力將 ETL 溶液分布在鈣鈦礦基底上,但是這種技術僅限於小範圍塗布,也不適合當今正夯的卷對卷(roll-to-roll)大型鈣鈦礦製程,採用此方式也會讓 ETL 分布不均勻,進而降低太陽能電池性能。

(Source:紐約大學

因此團隊透過噴塗 ETL 方式,大大減少鈣鈦礦成本,並可利用該方式達成大範圍覆塗,讓科學家打造大型太陽能板之餘,還可確保電池性能。為進一步提升電池性能,研究也利用化合物苯─丁酸甲基酯(PCBM)來改進導電性、提高光捕獲性能。

與其他方式相比,鈣鈦礦光電轉換效率已從 13% 提高到 17%、提升幅度高達 30%,研究更顯示可大大減少電池缺陷。

Taylor 指出,團隊的噴塗方法簡潔、再現性佳(reproducible)又可擴大規模。採用該噴塗方式或許可大大改善鈣鈦礦太陽能電池效率,並有望為 pin 型鈣鈦礦太陽能電池技術鋪路。該研究目前已發表在《Nanoscale》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:pixabay