鈣鈦礦-矽太陽能迎來新氣象,轉換效率有望提高至 32%

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 15 日 13:55 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly


雖然現在愈來愈多科學家秉持著兩人合力事倍功半的精神,開始將兩種不同太陽能材料串聯,盼提高太陽能轉換效率,但就像小組報告中總會有人拖後腿,研發串聯太陽能不太容易,對此,美國科學家已透過新電池設計,開發全新鈣鈦礦-矽太陽能電池,轉換效率更有望提高至 32.2%。

矽晶太陽能是目前最常見的太陽能技術,但它其實並不是轉換效率最高的太陽能板,只是具有成本跟製造優勢。其中矽只能吸收可見光或是近紅外光,將其他的光轉換成熱,且在大規模商業化情況下,矽晶太陽能轉換效率也逐漸觸頂,因此科學家開始想透過串聯技術,讓其他太陽能材料來助矽晶一臂之力。

像是英國、瑞士、美國與中國等國都正絞盡腦汁想研發鈣鈦礦-矽晶太陽能,讓鈣鈦礦吸收藍光再轉換成電流,矽晶則負責轉換紅光、近紅外光。

只不過兩種材料合作過程總有摩擦,目前技術多是將鈣鈦礦層直接疊在矽太陽能板上,但材料相疊後會發生能隙重疊效應(bandgap overlap effect),使底部矽晶電池性能大打折扣,且將串聯兩種電池更意味著電路設計也跟過去所不同,兩個電池的輸出量也必須要一樣,因此電力輸出較高的電池會受到較低那一方的限制,這讓鈣鈦礦-矽太陽能在發電跟製造方面都存有極大挑戰。

全新鈣鈦礦-矽晶太陽能發電模式

對此,美國華盛頓大學科學家採用全新的太陽能製程與結構設計,讓鈣鈦礦直接「生長」在矽基太陽能板上,值得注意的是,鈣鈦礦太陽能板並不是將藍光轉換成電,而是將藍光轉變成近紅外光,讓底下的矽晶太陽能板可以吸收並轉換更多的光。

該團隊主要是受到之前中國研究的啟發,兩年前中國吉林大學也有做過類似實驗,他們把稀土金屬鐿噴塗在鈣鈦礦上之後,發現新型太陽能明明已吸收藍光產生電子,但並不會產生電流,而是將能量輸送給鐿原子,而這並非壞事,因為鐿原子激發後會發射近紅外光,這一現象反而有助下方的矽晶太陽能吸收光,進一步提高轉換效率。

華盛頓大學化學家 Daniel Gamelin 表示,鐿原子所產生的近紅外光子大多會傳到下方的矽太陽能電池中,讓太陽能板更有效的吸收光,與此同時也能降低熱導致的損失。但科學家若要採用這一方案,還是有些許挑戰待跨,像是鈣鈦礦太陽能板如何疊加在矽晶太陽能板之上、如何讓鈣鈦礦材料分布均勻等。

為解決這一挑戰,華盛頓大學科學團隊也運用新製程,他們透過常見的太陽能生長方法「真空沉積(Vacuum deposition)」技術,成功在 14 公分大小的矽太陽能板上形成摻雜鐿的鈣鈦礦層。新型太陽能板的性能也相當好,Gamelin 估計新型太陽能應該可以轉換 32.2% 的太陽光,與過去研究的 27% 效率相比已提高19.2%。

雖然目前尚不知道該技術是否可以將轉換效率提高到如此境界,畢竟團隊還無法知道鐿原子在轉換過程中會流失多少近紅外光,但對於太陽能產業來說,能提高轉換效率基本上就是一大好事。

(首圖為示意圖,來源:Flickr/Bernd Sieker CC BY-SA 2.0)

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