用超級電腦尋找潛力材料,不含鉛的高效鈣鈦礦太陽能有機會問世

發佈日期: 2019 年 07 月 31 日 12:48 | 作者: | 分類: 產業資訊

矽晶太陽能低成本、高效率的優點讓它們得以稱霸全球,目前太陽能普及率能逐年升高,它亦功不可沒,然而隨著鈣鈦礦太陽能日益崛起,矽太陽能還能穩居冠軍寶座嗎?最近美國科學家透過超級電腦,或許已經找到既不含鉛、又不含毒的鈣鈦礦材料了。

近年鈣鈦礦太陽能轉換效率成長飛速,自從科學家在 2004 年發現其光電潛力並深入研究後,轉換效率已從當年的 3.8% 躍升到 24%,但要商業化也不能只看轉換效率,穩定性低、含有毒物質鉛等都是鈣鈦礦太陽能的缺點。

不過這不代表鈣鈦礦太陽能的前程就此嘎然而止,鈣鈦礦太陽能不含鈣與鈦,是種採用「鈣鈦礦」結構的電池,由鉛、甲基銨等有機成分與溴、碘鹵化物組成,不同元素或化合物就會有不同的效果,可以用各種材料與比例來調整鈣鈦礦太陽能的特性。

最近美國聖路易斯華盛頓大學團隊便打算利用應用材料資訊學與量子力學等知識來尋找新的可能,工程與材料科學助理教授 Rohan Mishra 表示,若要尋找適合用在太陽能領域的材料,能隙(band gap)落在 1.5ev 最佳。

能隙大小決定材料吸收光與發光的性能,像是矽的能隙為 1.12eV,換算成光波長大約為 1,107 奈米,當光子能量小於矽的能隙時,矽電池就無法吸收這些光子,因此矽晶太陽能只能吸收約 1,000 奈米以下的近紅外光、可見光及紫外光,若是能提高材料的能隙,或許就能進一步提高轉換效率。

最後聖路易斯華盛頓大學透過超級電腦,在 3 萬種鉍基氧化物可能性中,找到了潛力股:由鉀、鋇、碲、鉍和氧(KBaTeBiO6)組成的雙鈣鈦礦氧化物,是種穩定性高、毒性低,還可以在實驗室合成的半導體。

目前團隊還處在合成半導體階段,這一部分大約要花六個月左右,他們預測新型半導體的能隙大約落在 1.88 eV,團隊也表示,通常氧化物的能隙都很高,大於 3.5 eV,已超出可見光的最高能量,但新型半導體的能隙接近鹵化物鈣鈦礦,應用潛力大。

未來研發完成後,雖然團隊還需要再花一點時間調整半導體的能隙,並再研究一番合成技術,但這也是邁向無毒太陽能電池的一步,除此之外,這種設計也不單單能應用在太陽能,對光電產業也是一大益處。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:SteFou! via Flickr CC BY 2.0)

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