美國以 X 光透視材料變化,提升鈣鈦礦太陽能實驗效率

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 31 日 14:33 | 分類 光電科技 , 太陽能 , 材料、設備 follow us in feedly

近年來各國太陽光電科學家紛紛投入鈣鈦礦電池研究,希望可讓鈣鈦礦電池成為下一代太陽能技術,而為加速鈣鈦礦進展,目前美國科學家正利用 X 光來透視鈣鈦礦電池材料構成,進一步最佳化製造過程。



鈣鈦礦太陽能電池其實不含鈣與鈦,是個具有鈣鈦礦結構的金屬鹵化物半導體構成,擁有可撓式、重量輕、成本低且原料豐富等優點,雖然目前該技術穩定性與耐用性不足、尚未達到商業化,但鈣鈦礦電池技術日新月異,光電轉換效率已從 2009 年的 3.8% 提升到如今的 22.7%,短短 9 年內增加 6 倍,有望在未來 10~20 年內大大改變太陽能市場。

不過讓技術跨越商業化門檻並不是一件容易的事情,各家廠商的鈣鈦礦材料基本上都差不多,要如何改變原始材料性質、提升材料穩定性就是個大難題,因此史丹佛大學與史丹佛同步輻射光源部門(SSRL)想透過極亮的 X 光來透視材料結構的化學性質變化。

目前團隊正在研究製程添加氯氣的鈣鈦礦電池。其中氯氣是種具強烈刺激性氣味的有毒氣體,但它在鈣鈦礦製程中可搖身一變成提升性能的助手,且過去研究也指出,氯氣加工後就會消失,電池完全不會產生有毒物質。

研究試圖找出該種鈣鈦礦的「化學構成」(formation chemistry),逐一理解鈣鈦礦材料的形成過程以及每個階段的演變,這樣一來就可以創造出所需特性的材料。就好比現在的鈣鈦礦薄膜有多種沉積方法,這些方式都會讓薄膜厚度、結構、晶粒大小與結晶質不一樣。

目前大多研究都是透過嘗試錯誤法來實驗,僅些微改動過程、微調電池性能或電壓,實驗效率基本都不高。

因此團隊利用 X 光散射技術( X-ray scattering)與 X 光能譜分析儀(X-ray spectroscopy)來加速實驗進度。X 光散射技術可用來研究結構、觀察原子的位置,X 光能譜分析儀則是一種互補技術,可提供薄膜的化學性質、有哪些化學元素在材料內以及它們的鍵結方式。

X 光技術可讓團隊觀察晶體結構的轉換過程、氯含量變化與化學狀態,進一步最佳化製造過程。

為了讓鈣鈦礦成功抵達商業化,研究也正在思考如何開發大規模製程,最終讓每個人都可以擁有自己的太陽能系統,且由於鈣鈦礦為近十年來成長幅度最大的半導體之一,研究同時也在尋找鈣鈦礦還有哪些應用,希望能擴大鈣鈦礦的應用範圍,再次降低成本。目前研究已發表在《Nature Communications》。

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