韓國找出雙鈣鈦礦運作機制,有望解決電池含鉛難題

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 22 日 12:05 | 分類 太陽能 , 材料 , 能源科技 follow us in feedly

鈣鈦礦是種製程簡易、轉換效率進步幅度相當大的太陽光電技術,不少科學家都相當看好該技術發展,就好比韓國蔚山科學技術研究院(UNIST)最近成功在雙鈣鈦礦運作機制有所突破,或許有望解決傳統鈣鈦礦太陽能含有有毒物質「鉛」的問題。




除了矽晶與薄膜等已商業化的太陽能電池之外,現在還有許多太陽光電技術正在實驗室蓄勢待發,像是鈣鈦礦、有機、有機染料敏化太陽能等,競爭可說是相當激烈,其中鈣鈦礦電池具有材料便宜、製程簡單等優點,再加上轉換效率提升速度也相當快,從 2009 年的 3.81%,如今已提高至可與矽晶電池媲美的 22%。

然而鈣鈦礦電池也不是完美無缺,高效率鈣鈦礦電池通常含有有毒物質「鉛」,以及其耐用性相當低等問題,這些因素都讓鈣鈦礦技術在邁向商業化的途中面臨許多挑戰。雖然先前瑞典林雪坪大學(LiU)與新加坡南洋理工大學(NTU)曾攜手研發出無鉛雙鈣鈦礦電池薄膜,想進一步解決這一挑戰,但當時轉換效率著實不高、僅有 1%,還要再持續研發。

而此次 UNIST 為了研發出不含鉛、轉換效率表現又佳鈣鈦礦電池,他們決定嘗試使用備受看好、電性能佳的無鉛雙鈣鈦礦(Cs2SnI6),觀察該材料的表面狀態與功能,看看是否適合當作太陽能材料。

為此 UNIST 首先研發出一套含有 3 個電極的系統,用來研究電子電洞對在 Cs2SnI6 表面狀態的電荷轉移狀況,而他們發現雙鈣鈦礦的表面狀態具有高氧化還原活性,若把碘當成氧化還原媒介,雙鈣鈦礦可有效充放電性。UNIST 研究員 HyeonOh Shin 指出,這將有助科學家用無鉛鈣鈦礦材料來設計電子設備與太陽能電池。

其中太陽能電池結構基本上是由 P 型與 N 型半導體接合而成,這種結構稱為 PN 接面。當電池吸收陽光時,PN 接面會產生電子電洞對,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。

目前該團隊為了進一步證實這項研究,也將雙鈣鈦礦與染料敏化太陽能電池相結合,將 Cs2SnI6 當成染料敏化電池的電荷再生器,論文共同作者 Byung-Man Kim 表示,有機染料電池中的電荷跟 Cs2SnI6 的表面狀態連接度相當高,可以提高電流,且這也代表著該材料在熱力學上電荷轉移效果也非常好,與傳統液態電解質相比,光電流密度高出 79%。

雖然 UNIST 目前尚未對外公布雙鈣鈦礦電池轉換效率與其他數據,無法得知實際資料,但團隊相當看好 Cs2SnI6 材料的應用,研究指出,若在 Cs2SnI6 採用氧化還原媒介,科學家就可透過 Cs2SnI6 的表面狀態來進行電荷轉移與充放電,目前研究已發表在《Advanced Materials》。

(圖片來源:UNIST

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