大幅延長壽命,美科學家解決鈣鈦礦太陽能關鍵瓶頸

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 10 日 16:43 | 分類 太陽能 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


鈣鈦礦太陽能轉換效率高,距離規模商業化差臨門一腳,最近美國科學家便透過「分子膠」結構,有助突破材料不穩定、接面裂化瓶頸,解決鈣鈦礦電池壽命短、效率曇花一現的缺點。

十年來鈣鈦礦太陽能的轉換效率突飛猛進,為備受看好的太陽能材料新星,同時它在太陽能製程方面也頗具優勢,有別於需要昂貴設備與 1,500 °C 製造環境的矽晶太陽能,鈣鈦礦太陽能在室溫即可製造,整體來說製程相對便宜。

結合高效率與易製造,鈣鈦礦太陽能優勢顯著,不過它現在還有許多設計上的缺點待解決——實在太脆弱了,雖說鈣鈦礦太陽能轉換效率高,但是耐用性卻不怎麼樣,使得電池表現有如曇花一現、稍縱即逝,要實現大規模的商業化,仍需解決材料不穩定的問題,以及開發出大面積太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能由多層材料構成,溫度變化會讓材料以不同速度膨脹或是收縮,這些機械壓力會導致材料退耦(decouple),而這次美國布朗大學科學家則瞄準最麻煩的地方:吸光層與電子傳輸層的接面,希望能讓兩層材料好好相處不「分手」。

布朗大學團隊認為,吸光層與電子傳輸層的接面是最脆弱的地方,透過矽和碘打造全新自組裝分子膜(self-assembled monolayers,SAMs),或許可以強化這一部分。其中自組裝分子膜為有機分子吸附於金屬表面形成,廣泛應用在製備生物材料、表面物理、化學改質、和製作表面特殊圖樣等。

布朗大學工程教授 Nitin Padture 表示,經由團隊的特殊配方,SAMs 大分子化合物沉積在接面表面時,會自組裝形成一層薄膜、也會像頭髮一樣豎起來,讓 SAMs 能與不同材料的表面牢牢鎖在一起。

團隊指出,實際在接面上導入 SAMs 分子膜後,接面斷裂韌性(Fracture toughness)提高 50%,有效防止裂紋擴展,Padture 認為出,就某方面來說,SAMs 也可以說是種分子膠(molecular glue),有效將兩層材料連接在一起。

團隊發現,由於可藉由 SAMs 消除接面上的缺陷,也稍稍增加鈣鈦礦太陽能的轉換效率,並延長電池壽命。

在使用 1,300 小時候,效率仍能維持初始光電轉換效能 80%,反觀一般的鈣鈦礦太陽能電池,只能維持 700 小時,最終團隊則希望能延長到 4,000 小時。研究第一作者 Zhenghong Dai 表示,我們曾在測試後還有打開太陽能電池——這是別人不曾做過的,看過各種孔洞、裂縫等損壞,但是經過 SAMs 分子膜強化後,接面狀況看起來相當不錯。

Padture 認為,為了製造出更便宜、高效且能正常運作數十年的太陽能電池,這項研究有其必要性。

(首圖來源:布朗大學