讓太陽能材料層層疊疊堆起,電池串聯技術有望提升轉換效率

發佈日期: 2018 年 12 月 22 日 17:35 | 作者: | 分類: 產業資訊

面對當前太陽能轉換效率難突破窘境,許多科學家正嘗試將兩種太陽光電技術相結合,讓不同材料可在性能與光吸收範圍相互互補,現在美國、澳洲與中國等國的科學家們也都已成功運用箇中道理,進一步提升轉換效率。

目前無機材料矽晶太陽能為最常見、成本效益比最高的太陽光電技術,只是由於其轉換效率已達到 15-22%,近期效率提升幅度也不大、預期未來難以再度突破,科學家一直在尋找其他材料或是運用另一種製程,希望讓太陽光電技術迎來新的成長機遇。

讓矽與其他材料合作

其中「串聯型太陽能」就是太陽能技術中新興研究方向,像是澳洲國立大學與美國加州理工學院近期已攜手合作,運用全新的方式將矽與太陽光電後起之秀鈣鈦礦組合在一起,澳洲國立大學研究員 Heping Shen 博士表示,若想要把兩種太陽能電池組合在一起時,通常中間還需要一道「連接橋梁」,讓電荷可以在材料間移動。

團隊則認為或許可將這條連接橋梁拆除,雖然橋梁可以達到穩定結構的作用,但這樣一來會增加電池的能源消耗、提升製造過程的難易度,論文共同作者 Daniel Jacobs 博士指出,對此團隊已研發出新型電池串聯方法,不需要中間層就可以讓電荷順利游移,目前他們也已將轉換效率提升到 24%,未來有望突破至 30%。

而該團隊並非世界唯一一個研究矽-鈣鈦礦的團隊,美國布朗大學與內布拉斯加大學林肯分校(UNL)年初時也已著手研發類似技術,更希望未來可藉由設計多層、不同能隙的材料來提升光電轉換效率。

瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)與瑞士電子和微技術中心(CSEM)的科學家則在 6 月時成功將矽與鈣鈦礦相結合,兩種太陽能材料能截長補短,鈣鈦礦負責將綠光、藍光轉換為電能,矽則負責紅光、近紅外光,最終將轉換效率提升到 25.2%。

材料的多種排列組合

太陽能材料百百種,除了已經達到商業化的矽晶太陽能、薄膜太陽能電池,還有鈣鈦礦與有機等材料可供科學家選擇,因此隨著科學家愈加看重串聯型太陽能電池,也有越來越多有趣的材料排列組合登場。

像是看好高轉換效率銅銦鎵硒(CIGS)太陽能與鈣鈦礦的低成本易製造優勢,加州大學洛杉磯分校 9 月時運用這兩種材料,打造出轉換效率達 22.4% 的鈣鈦礦-CIGS 太陽能電池,比利時歐洲跨校際微電子研究中心(IMEC)也不落人後,9 月中旬進一步將轉換效率突破至 24.6%。

加州大學洛杉磯分校教授楊陽(Yang Yang)表示,利用串聯太陽能電池設計,同一個電池可吸收兩種不同光譜範圍的能量,與單單一層 CIGS 太陽能相比,這種方式可大幅增加光電轉換效率。IMEC 也指出,上層的鈣鈦礦太陽能板能吸收大部分可見光,底下的 CIGS 電池則可吸收近紅外光,這讓太陽能轉換效率表現遠比單一的鈣鈦礦與 CIGS 電池還要好。

除了鈣鈦礦-CIGS 太陽能組合之外,也有科學家瞄準具有可大量製造、價格低廉、材地柔軟可撓曲等特性的有機太陽能,製造出串聯型有機太陽能電池。就好比美國密西根大學 4 月研發出轉換效率達 15%、壽命長達 20 年的有機太陽能電池,不僅已達到商業化標準,更有機會讓太陽能成本再次下降。

中國南開大學科學家也在 8 月時將串聯型有機太陽能電池轉換效率提升到 17%,透過不同有機材料讓光吸收範圍相互互補,其中前側材料可吸收 300-720nm 波長的光,另一材料則負責 720-1,000nm,穩定性也大幅提升,166 天初步測驗後電池效率僅下降 4% 左右。

為了讓太陽能轉換效率更上一層樓、進一步提升太陽能成本效益比,眾多科學家正努力嘗試新技術與新材料,雖然這些都還是實驗數據,實際效率與壽命尚未經過戶外環境的嚴苛考驗,但隨著時間流逝與技術愈加成熟,未來新興串聯型太陽能技術或許有機會跨出實驗室。

(首圖來源:Pixabay。文/DaisyChuang)

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