透過新型電洞傳輸層材料,南韓鈣鈦礦太陽能穩定性躍升

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 01 日 14:19 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly

雖然科學家對於鈣鈦礦太陽能的關注從來沒有少,但由於穩定性表現不佳,科學家一直無法將該技術推向商業化,對此,南韓化學技術研究所(KRICT)已採用全新電洞傳輸層材料,將轉換效率提高到 22.7% 之餘,電池穩定性也更勝從前。




鈣鈦礦太陽能電池結構為陰極-電子傳輸層-鈣鈦礦的光吸收層(主動層)-電洞傳輸層-陽極,鈣鈦礦層吸收部份太陽光後即會產生帶負電的電子與帶正電的電洞,進而產生電流。

其中過去科學家多以 Spiro-MeOTAD 或是 PTAA 當作電洞傳輸層,只不過上述兩者聚合物成本高,搭配的吸濕性摻雜劑也會引起鈣鈦礦層衰退,沉積製程也備受限制,這些材料是否適合應用還有待商榷,有鑑於此 KRICT 團隊已將目標瞄準另一種潛力聚合物材料:聚(3-己烷基噻吩)(P3HT)。

P3HT 聚合物具成為光電材料的潛力,成本也相當低,更有工業製造技術基礎。但團隊翻閱過去研究後發現,添有 P3HT 材料的鈣鈦礦太陽能轉換效率表現不如預期,從來沒有超過 20% 過,最高紀錄僅達 16%,這讓 KRICT 團隊想一探究竟並加以改善。

團隊實際打造 P3HT 電洞傳輸層後,發現電洞傳輸層會跟鈣鈦礦層接觸不良,讓電洞傳遞功能大打折扣,除此之外電子與電洞也會在兩層的接面重新結合,進而造成能量損失。

為了避免鈣鈦礦層與 P3HT 層發生電子轉移,KRICT 科學家 Eui Hyuk Jung 利用在兩層之間放入導電性較差的化合物 HTAB,讓 HTAB 材料跟鈣鈦礦層表面相互反應,進而形成寬能隙鹵化物(wide-bandgap halide,WBH)層,以此方法打造城牆、不讓電子與電洞在接面處復合。

新設計將有望大幅提高鈣鈦礦性能,團隊實驗發現,HTAB 材料能有效減緩鈣鈦礦晶體表面的缺陷,有助於降低電子與電洞接合的機會,且新型 P3HT 層的傳遞率比舊有電洞傳輸層還要高 10,000 倍,未來的鈣鈦礦太陽能板不再需要摻雜劑來提高電洞傳遞率。

(Source:KRICT)

目前該團隊也已打造出全新的鈣鈦礦太陽能,其轉換效率高達 22.7%,穩定性也更勝從前,團隊測試指出,若在電池尚未封裝前,將設備前置於溼度達 85% 的地方1,000小時,轉換效率仍能維持 80%;封裝後,電池經歷 1,370 小時高強度光照射也可保持逾 95% 效率。

之後團隊也將新型鈣鈦礦製成 24.97 平方公分大小,雖然尺寸擴大讓轉換效率從 22% 滑落至 16%,但團隊已證明 WBH 層以及 P3HT 材料的應用潛力,且新技術也能透過商業化薄膜製程來製造,團隊實際運用自旋塗布(spin coating)跟滾筒塗布(bar coating)兩種商業技術打造電池後,轉換效率也無下滑之勢。

鈣鈦礦太陽能發展時間並不長,但轉換效率已在短短十年內提高到 22%,雖然目前仍具有穩定性與含鉛等挑戰,不過隨著科學家持續研究,鈣鈦礦太陽能仍有機會跨出實驗室門檻。

(首圖為示意圖,來源:pixabay