石墨烯助力,串疊型鈣鈦礦太陽能效率超越26%

2021-02-15 TrendForce集邦

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近年來鈣鈦礦太陽能轉換效率進步飛速，十年間已經躍升到 24% 以上，不過效率升幅多多益善，最近義大利科學家在鈣鈦礦電池中加入神奇材料石墨烯（Graphene），最終研發出鈣鈦礦-矽串疊型太陽能，其效率已達 26.3%。

鈣鈦礦是著有相同晶體結構化合物的通稱，會因為組成材料的差異、有著不同的性能，轉換效率也各有高低，不過在該實驗中，義大利創新技術──能源與環境組織（ENEA）與羅馬第二大學科學家並沒有採用較常見的三碘合鉛酸甲基銨（MAPbI3）鈣鈦礦，考量到需要較高的光學能隙與穩定性，他們用混合陽離子與混合滷化物鈣鈦礦進行實驗。

科學家將石墨烯薄膜沉積在鈣鈦礦的二氧化鈦（TiO2）電子傳輸層上，其中鈣鈦礦太陽能的電池結構大多為陰極-電子傳輸層-鈣鈦礦的光吸收層（主動層）-電洞傳輸層-陽極組成，透過將石墨烯沉積在二氧化鈦前體與奈米粒子上，進而提高鈣鈦礦薄膜的化學穩定性與耐用性，最後再把最佳化後鈣鈦礦電池機械式堆棧（mechanically stacked）在 HJT 異質結矽晶太陽能上方。

現在有愈來愈多科學家秉持著兩人合力事倍功半的精神，將兩種不同太陽能材料串聯，盼提高太陽能轉換效率，但兩種材料合作過程總有摩擦，若要串聯鈣鈦礦與高效率矽晶太陽能板，可能會影響電池的高溫與固態製程，底層矽晶太陽能吸收紅光、紅外光的效率也會大打折扣。

因此義大利科學家決定先單獨並最佳化製造鈣鈦礦與矽晶電池，最後在介觀（mesoscopic）角度下，將上層鈣鈦礦電池的背面電極與底下矽晶電池已紋理化、金屬化的正面電極相結合，科學家希望可以透過設計鈣鈦礦層的電洞傳輸層、陽極，以及石墨烯電子傳輸層，最終降低反射光損失（optical losses）。

目前義大利科學家已研發出 1.43 平方公分的鈣鈦礦-矽太陽能電池，轉換效率最高已達 26.3%，平均落在 25.9%，項目負責人 Aldo Di Carlo與 Mario Tucci 表示，過去已知石墨烯可提高鈣鈦礦太陽能電池效率，而在新研究中，團隊還發現在鈣鈦礦電子傳輸層加入石墨烯之後，並不會影響底下矽晶太陽能吸收紅光和紅外光。

目前研究已發表在《Joule》。

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圖片聲明：封面圖片來自拍信

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