一探鈣鈦礦材料運作機制,美有望擴大應用範圍

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 08 日 15:26 | 分類 太陽能 , 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

雖然鈣鈦礦為備受看好的太陽光電材料,轉換效率更在短短幾年內突破到 22%,但說來有趣,至今科學家仍不確定鈣鈦礦太陽能電池的運作機制,因此為了解開這一大物理謎團,加州大學聖塔芭芭拉分校團隊已開始研究鈣鈦礦材料的運作模式與電子電洞復合(recombination)機制。




鈣鈦礦太陽能電池不含鈣與鈦,其同時具有無機與有機元素,基本上由鈣鈦礦結構的金屬鹵化物半導體所構成。過去許多科學家都認為鈣鈦礦太陽能轉換效率如此高的原因跟該材料為間接能隙材料有關,諸如矽、鍺等間接能隙材料進行載子躍遷時,由於得遵守動量守恆與能量守恆,不的僅得吸收能量還要改變動量,而這些特性可抑制電子與電洞輻射復合(radiative recombination),降低電子-電洞對復合且消失的速度。

若電子-電洞對快速復合,太陽能轉換效率就會因此降低。其中電子和電洞復合時會釋放一定的能量,如果能量以光子的形式釋放,就稱為輻射復合,通常多應用在半導體雷射器和 LED。

但加州大學聖塔芭芭拉分校計算材料機構 Van de Walle 實際計算甲基碘化鉛(MAPI)鈣鈦礦的輻射復合率與能隙自旋結構後,發現這是個錯誤的認知。研究指出,雖然該間接能隙材料的特性會降低輻射復合率,但該材料的輻射復合率還是跟其他直接能隙半導體一樣高,這代表鈣鈦礦材料也能應用在 LED 等發光元件。

(Source:加州大學聖塔芭芭拉分校

只不過要把鈣鈦礦用在 LED 也不是一件容易的事情,首先得突破 LED 電流密度較高的難題,在高電流密度狀態下,非輻射復合過程可能會不利材料運作,進而造成能量損失。

相較於輻射復合是釋放光子,非輻射復合會用其他方式來釋放能量,底下又再細分為奧杰復合(Auger recombination)與 SRH 非輻射復合等。研究員 Jimmy-Xuan Shen 表示,奧杰復合即是電子和電洞復合釋放出多餘的能量後,隨即被另一個電子吸收,而團隊發現 MAPI 的奧杰係數相當高。

根據實驗結果,研究員也發現 MAPI 材料的兩項機制,像是能隙和自旋-軌道引起的導帶(conduction band)分裂會引發共振,以及哪樣的結構形變會造成奧杰復合。指導教授 Van de Walle 指出,研究已證明降低晶格形變能有效抑制奧杰效應造成的能量損失,目前正要進行下一步實驗。

假如實驗有成,或許有望進一步擴大 MAPI 等有機-無機混合鈣鈦礦材料的應用範圍與再次提升太陽能轉換效率。

(首圖來源:pixabay