太陽能電池

2020-11-22 電子發燒友

鈣鈦礦太陽能電池前景

發表於 2018-03-01 13:33:37

近年來鈣鈦礦 （perovskite） 太陽電池因其創紀錄的高效能、低廉的製造成本而備受矚目。最近，美國科學家研發出製造毫米級鈣鈦礦晶體的溶液製程技術，製造出之成品較先前的奈米級、次微米級晶體材料大上幾個數量級。粒徑越大代表缺陷較少，而鈣鈦礦的特性可媲美其他無機太陽電池材料，成本卻低廉許多。從 2009 年到 2014 年的短短 5 年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從 3.8% 一下子躍升至 19.3%，提高了 5 倍。其效率進步之快，成本之便宜，生產之容易，以至於被《Sciences Journals》評為 2013 年的 10 大科學突破之一。

洛斯阿拉莫斯 （Los Alamos） 國家實驗室的研究員 Aditya Mohite 表示，在短短兩年之中，鈣鈦礦太陽電池的效能已經達到20%，相形之下，其他奈米材料花了二十年才達到 9% 的效能。Mohite 也認為，其團隊所研發出提升鈣鈦礦晶體質量的方法，也可望應用來提升晶體質量，以獲得更佳的光電特性。納米材料科技雖然能得到好的光學質量，但因具有多重接口會造成電子-空穴的複合。若能製造質量更佳的晶體，將能改善此狀況。另外，缺陷與晶界產生的陷獲態 （trap state） 會限制電荷載子的活動，因此晶體質量可由逆轉電壓掃描時是否產生遲滯現象 （hysteresis） 得知；而上述方法的到的鈣鈦礦晶體並無遲滯現象。此外，該團隊也測量了開路電壓與光強度之間的關係，顯示雙分子複合過程主導材料的光電行為。

但這畢竟是學術上的研究，在進行商轉前我們必須先解決以上鈣鈦礦電池的難題：

1）。 有毒 → 鈣鈦礦電池材料含有鉛，不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比，簡直就是小巫見大巫。而美國西北大學也已研發出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池，不過這種電池的轉換效率還只有 6％，目前處於研發初級階段，效率還有提升空間；

2）。 不穩定 → 鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發，而當晶體遇水時則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中；

3）。 壽命不長 → 目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到 1000 小時，由華中科技大學和洛桑聯邦理工學院合作研發。而傳統晶矽電池壽命一般可達到 25 年，比鈣鈦礦電池長得多。

我還是看好鈣鈦礦電池的未來，也相信研究人員會找出最佳方案來取代現有技術，但你要問甚麼時候可以來臨，很多事都說不準。舉例來說，電動車應該可以取代汽油車，汽油也降價了，又跑出來一個頁巖氣來攪局。所以說，技術是可以先突破放在哪裡等機會上位，但如果原先消費習慣及性價比一時之間還沒有被接受，也不見得最佳方案就能成功上市。

有機/無機雜化的鈣鈦礦電池具有成本低、低溫柔性及易於大面積印刷等優點，受到人們的廣泛關注。過去十年，鈣鈦礦電池的研究迅猛發展，其光電轉換效率已從初始的2.2%迅速提高到22.1%（圖1上），接近矽太陽能電池水平。大面積電池也發展迅速（圖2）。因此鈣鈦礦太陽能電池具有巨大的發展前景。

影響鈣鈦礦電池商業應用的主要原因是其電池的穩定性，目前鈣鈦礦電池僅能在使役條件下工作數月（圖1下），而傳統的矽電池能夠工作超過25年。因此，如何提高鈣鈦礦電池的穩定性是目前這一領域最為重要的問題，各國科學家競相在這方面開展工作。應《自然》（Nature）雜誌的邀請，加州大學洛杉磯分校教授Yang Yang與中國科學院半導體研究所研究員遊經碧近期撰寫了題為Make perovskite solar cells stable 的評論文章（Yang Yang， Jingbi You， Nature， 544， 155-156 （2017））。

針對目前的研究進展，他們概括出了五種改善鈣鈦礦太陽電池穩定性的手段：

1） 調控鈣鈦礦材料的晶體結構，通過少量摻雜提高鈣鈦礦材料的相穩定性；

2）降低鈣鈦礦晶體缺陷，減少外界環境的滲透通道；

3）設計新的穩定的鈣鈦礦材料；

4）採用穩定的無機電荷傳輸層；

5）改善封裝工藝等。同時，他們呼籲投入更多的經費和人力參與提高穩定性的工作中來；理論物理學家、材料化學家以及器件工程師應緊密合作，開發與研製出新的穩定的鈣鈦礦基太陽能材料及器件。此外，研究者們在報導器件穩定性時必須採用統一的穩定性測試標準。只有這樣，才能加快鈣鈦礦電池商業化進程，為人們所用。

Yang Yang和遊經碧是該評論文章的共同通訊作者。

圖1. （上） 過去十年鈣鈦礦電池發展效率的趨勢圖，（下） 鈣鈦礦電池穩定性發展圖。

圖2. 大面積鈣鈦礦太陽能電池

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