碲化鎘薄膜電池的神助攻元素「硒」,科學家找到效率大幅提升關鍵

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 15 日 13:46 | 分類 光電科技 , 太陽能 , 材料 follow us in feedly

近來年不少測試已發現,傳統晶矽太陽能電池的綜合表現逐漸被超越,其中市占率第二大的碲化鎘薄膜電池以成本低廉直逼晶矽太陽能電池。過去,科學家不懂為什麼在碲化鎘太陽電池中添加「硒」可以提升電池效率,現在羅浮堡大學團隊指出,這是因為硒能夠帶來更高的發光效率。



碲化鎘(Cadmium telluride,CdTe)是由碲、鎘元素組成的晶體化合物,於太陽能電池方面極具應用前景。最常見的是碲化鎘薄膜電池,其由簡單的「P-i-n 結構」組成,通常碲化鎘被夾在兩層硫化鎘材料間。

過去已知,碲化鎘太陽能電池板具有兩大優點,第一,高效吸收:CdTe 是一種直接能隙(Bandgap)材料,與太陽光譜匹配良好,其帶隙能量約為1.45(eV),非常適合使用單結將太陽光轉換成電能。

第二,超低成本且製造快速:CdTe 薄膜電池成本比化石燃料還便宜,也是目前最便宜的太陽能電池板。據美國能源部統計,CdTe 太陽能電池已是繼晶矽太陽能電池後,市場上第二常見的光伏(PV)技術,市占率約 5%;而目前市場上,占 CdTe 薄膜太陽能電池主導地位的公司為 First Solar,其出貨量達全球 95% 以上。

至於 First Solar 實驗室的 CdTe 太陽能電池效率紀錄已達 22.1%,商業化的電池模塊效率則為 16.1%。和矽晶太陽能電池需要擔心的效率、溫度、成本等缺點相比,CdTe 太陽能電池唯一最需要擔心的問題是鎘元素有毒。

而製造商之所以讓 CdTe 太陽能電池效率紀錄從 19.5% 一舉提升至 22.1%,關鍵就在於添加了「硒」元素,但奇妙的是,我們不知道為什麼在化合物中添加這種元素,有助於提高面板效率。

最近由英國羅浮堡大學 Tom Fiducia 領導的國際團隊終於解開這道謎底。

研究人員意外發現,硒能克服 CdTe 太陽能電池板中有害的原子晶格缺陷(atomic defect),使太陽光照射到太陽能電池板時,產出自由電子的效率提高,減少電子遺失在缺陷處的機率,如此一來,對光的吸收性便大幅提高。

現在我們了解硒為何未導致太陽能電池板效率提高,有可能因此又進一步提高碲化鎘薄膜電池板的現有效率,之後進而降低電價。新論文已發表在《自然-能源》(Nature Energy)期刊。

(首圖來源:羅浮堡大學

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