氟化物提高鈣鈦礦太陽能穩定性,運作千小時效率仍維持高轉換效率

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 16 日 14:36 | 分類 太陽能 , 材料、設備 , 能源科技 follow us in feedly

就像氟化物(Fluoride)可以保護牙齒、避免蛀牙一樣,最近荷蘭與中國科學家也成功用氟化物幫鈣鈦礦太陽能電池打造「防護背心」,有效緩解該技術不耐光、水與熱的缺點,新型鈣鈦礦電池在極端條件下運作 1,000 小時,轉換效率仍可達 21.3%。




鈣鈦礦太陽能技術具有材料成本低、易製造、可撓等優點,轉換效率更在短短十年內從 3.8% 提高到 24% 以上,許多科學家皆看好鈣鈦礦太陽能的應用與發展,不過該技術距離商業化還有一段距離,科學家首先得解決鈣鈦礦太陽能穩定性差、壽命較短的大難題。

鈣鈦礦太陽能電池主要是由金屬鹵化物化合物構成,存有多種材料配方與排列組合,但由於材料性質與製造方式,隨著時間流逝以及環境中光、水與熱的影響,金屬鹵化物的原子結構缺陷(vacancies)會引起鈣鈦礦電池降解。

不少科學家都絞盡腦汁想解決這一難題,像是先前美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)利用咖啡因來提高鈣鈦礦的熱穩定度、南韓科學家研發全新電洞傳輸層材料、日本沖繩科技大學採用二氧化錫來延長電池壽命,上述例子無不顯示科學家正努力解決難題。

由荷蘭埃因霍溫理工大學(TU/e)、特文特大學(University of Twente)與來自中國北京的科學家組成的團隊,決定透過添加少量氟化物來提高鈣鈦礦太陽能的穩定度。團隊認為,就像科學家在牙膏中添加氟化物以防止蛀牙,或許氟離子也能成為鈣鈦礦晶體材料的保護層,避免缺陷擴散。

(Source:埃因霍溫理工大學

團隊指出,氟化物導電率高,氟離子也具有小型、電負度高特性,因此原子吸引電子的能力也相當強,這有助於氟離子和鈣鈦礦材料表面形成氫鍵和離子鍵,進一步穩定鈣鈦礦的晶體結構。

埃因霍溫理工大學應用物理系運算能源中心助理教授 Shuxia Tao 表示,該研究已大幅提高電池的穩定性,新型鈣鈦礦太陽能在極端高溫、光照條件下運作 1,000 小時後,還是可以保持 90% 的效率、轉換效率仍可高達 21.3%。

該研究已成功延長鈣鈦礦太陽能的壽命,相較之下傳統鈣鈦礦電池在運作 175 小時之後,功率轉換效率只會剩下 60%。只不過科學家若要將新太陽能技術推向商業化,太陽能電池運作 10 到 15 年後仍需保持 85% 以上原始效率,顯然鈣鈦礦太陽能還有一段路得走。

Tao 預計,科學家還需要 5 到 10 年的時間才能將鈣鈦礦太陽能帶離實驗室,未來除了需要再提高轉換效率與穩定性,人們還得更了解鈣鈦礦的原子機制,目前科學家還不太清楚為什麼有些材料可延長鈣鈦礦材料的穩定性。

(首圖為示意圖,來源:shutterstock)

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