美探討鈣鈦礦高性能背後謎團,轉換效率有望再提升

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 15 日 16:45 | 分類 太陽能 , 奈米 , 能源科技 follow us in feedly


鈣鈦礦太陽能具有可撓、製程簡單等優點,應用潛力相當龐大,但該技術若要迎頭趕上目前市占率最高的矽晶太陽能,還有一大段距離要走,為此美國科學家已著手研究鈣鈦礦材料與結構,盼能了解鈣鈦礦運作機制,讓轉換效率迎來新提升動能。

當今太陽能市場以矽晶技術為主流,成本較低、也已達大規模商業化,但矽晶技術並非完美無缺,必須要在 1,400°C 高溫下進行處理,並使用昂貴的製造設備,相較之下鈣鈦礦轉換效率高,設備成本與條件也低,只要在 100°C 溶液中加工即可,且該技術也能沉積在可撓式基板上,有望讓將來的太陽能板不再又硬又脆。

鈣鈦礦太陽能電池不含鈣與鈦,是個由有機與無機元素一同組成的結構,基本上可以把鈣鈦礦晶體結構當成三元組(triad),其中一部分是由元素鉛組成,二、三部分則是甲基銨等有機成分與溴和碘鹵化物組成,而每部分可由不同元素或化合物製成,顯然有多種配方供科學家選擇。

目前鈣鈦礦轉換效率已達 23%,只不過科學家一直以來都不太了解高效率的背後原由,這讓科學家難以再獲突破。喬治亞理工學院材料科學與工程助理教授 Juan-Pablo Correa-Baena 表示,團隊從早期的研究得知,在溴-碘鈣鈦礦中添加銫和銣可提高穩定性和轉換效率,但過去都不太清楚為什麼添加鹼性金屬能提升電池性能。

因此為了破解科學謎團,美國喬治亞理工學院、麻省理工、加州大學聖地牙哥分校等學校與研究機構攜手合作,一同運用高強度 X 射線來檢測奈米級鈣鈦礦,希望可透過 X 射線來觀察鈣鈦礦的元素與結構變化,從中找出再次突破的關鍵。

實驗結果指出,在鈣鈦礦化合物添加鹼性金屬可讓溴與碘其他元素均勻混合,提高電導率、進而提升轉換效率,但也不能添加太多鹼性金屬,濃度過多會讓優勢轉換成劣勢,反而干擾材料電導性。

透過實驗,團隊也發現銫和銣周圍的無感帶(dead zone)對太陽能電池沒有太大影響,通常這些無感帶都會像黑洞一樣吸收其他區域的電子,讓電流與電壓消失殆盡,但在鈣鈦礦中損失不大。加州大學聖地牙哥分校奈米工程教授 David Fenning 對此表示,這表示材料的性能相當強大。

鈣鈦礦的理論轉換效率為 31%,目前還有龐大的進步空間,科學家將可根據研究結果,改變過去的配方或是嘗試增加鹼性金屬,進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率。研究已發表在《Science》。

(首圖來源:喬治亞理工學院