科學家突破新型鈣鈦礦太陽能電池製程
- 建檔日期：111-12-26
- 點閱：9
美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)在《科學》期刊上刊登了一項製造鈣鈦礦(Perovskite)太陽能電池的新製程，該製程解決了以前既存的問題，並產出具有高效率與出色穩定性的產品。
在富含溴與碘的混合物中結晶出鈣鈦礦結構*被認為是製造鈣鈦礦太陽能電池的關鍵，但暴露於光與熱（太陽能電池的作用環境）中將導致溴與碘分離，此現象將導致產出的太陽能電池穩定性與電壓受到限制。研究團隊表示，此新製程可顯著抑制溴與碘的相偏析(phase segregation)，並產出一種效率超過20 %且大於1.33伏特光電壓的寬能隙太陽能電池，在高溫中運轉1100小時的效率變化則極小，實際出版於期刊的數據也顯示該製程產生的電池擁有27.1%的效率、2.2伏特的光電壓以及優秀的穩定性。
此技術的原理如下：鈣鈦礦在太陽能電池技術中並不真正代表鈣鈦礦本身，而是基質上具有與鈣鈦礦類似晶體結構的有效成分，這類成分需以薄膜形式存在才具備作為太陽能電池的價值，但在高濃度溴存在時，此薄膜將快速結晶導致太陽能電池耗損，雖然已有許多做法避免此現象，然而寬能隙鈣鈦礦太陽能電池仍被認為不穩定。同一研究團隊的另一研究則提供更徹底的解方，傳統方法使用反溶劑加速鈣鈦礦結構生成為薄膜，而此研究則使用氮氣流對該結構進行氣體焠火**解決薄膜穩定性的問題。使用反溶劑***時，晶體在薄膜內將快速且均勻生長，導致薄膜因為結晶碰撞而產生缺陷，而使用氣體焠火時，由於晶體結構被迫以較慢速度同時成長，因此可以形成較為緻密的薄膜結構，也顯著減少晶體上的缺陷並將多餘的溴移往電池底端****。此方式也較反溶劑法（傳統方法）更具可再現性。此外，使用氬氣與空氣進行氣體焠火也能達成與氮氣相似的效果。
*此非真正的鈣鈦礦，而是與鈣鈦礦結構類似的礦物。此結構的礦物可在固定體積下透過更換晶格內離子創造不同半導體能隙，使太陽光利用效率大幅上升。
**原文為Air quenching，實際上的過程為：對目標使用氣體流加速溶劑蒸發，即「吹乾」。
***結晶學上，有時會使用無法溶解目標結晶分子但可與原本溶劑互溶的溶劑「逼出」目標分子並使之結晶，例如將可以與水互溶的丙酮加入食鹽水中，迫使無法溶於丙酮的食鹽快速結晶。用於逼出目標分子的溶劑即為反溶劑。
****若化學反應中的反應物無法接觸，則無法進行反應，因此鈣鈦礦晶體生成過程中若能將作為反應物的溴推離，即可降低多餘的溴破壞薄膜穩定的可能性。
