為鈣鈦礦太陽能開闢新道路,全新太陽能轉換效率可達 66%

發佈日期: 2019 年 11 月 28 日 9:14 | 作者: | 分類: 產業資訊

提高太陽能轉換效率的路途困難重重,其中一項難題便是太陽能材料沒法吸收全部的光,有一部分的光能會以熱的形式損失,進而降低性能,對此,最近美國科學家透過添加有機化合物材料,成功吸收並轉換鈣鈦礦太陽能電池產生的熱,最高轉換效率有機會從 33% 突破到 66%。

太陽能電池的廢熱困擾科學家多年,好比目前已量產的單晶矽與多晶矽的太陽電池,矽晶電池轉換效率平均效率落在 20% 上下,也就是說,太陽電池只能將 20% 入射陽光轉換成電能,其餘的 80% 都浪費或變成無用反傷的熱能。

太陽能板無法吸收所有能量,若是光能小於半導體材料能隙,就無法將電子推送到導帶,也不能產生電力;當光子的能量大於半導體的能隙,半導體也只會吸收相對能隙的能量並產生電子電洞對,其餘能量則被稱為「熱載子」,這些熱載子會在短短幾皮秒(10-12 秒)內冷卻並釋放出聲子,也就是透過晶格振動將能量以廢熱釋出。

其中鈣鈦礦太陽能雖然以製造成本低、轉換效率高、應用廣而聞名,但它也逃不了會產生廢熱的課題,現在荷蘭格羅寧根大學與南洋理工大學決定捕獲那些「熱載子」,在載子復合、釋出聲子之前把高能量的載子傳遞至外部電路。

近年來科學家已注意到典型的鹵化物鈣鈦礦太陽能能降低熱載子的冷卻速度,因此該團隊決定尋找能跟鈣鈦礦電池搭配、又能快速吸收熱電荷的材料,去年格羅寧根大學的研究就指出,若能捕獲並善用熱電子,混合鈣鈦礦太陽能的最大效率可以從 33% 提高到 66%。

最近他們發現有機化合物 bphen (註)與鈣鈦礦或許是個合作好夥伴,格羅寧根大學與南大科學家使用飛秒(10-15 秒)脈衝雷射器(femtosecond pulsed lasers)等多個超快雷射脈衝來一探新型太陽能電池到底如何運作,用比相機閃光燈快 1 兆倍的速度來看結果是否符合期待。

結果指出,該有機化合物的能隙較大,足以吸收熱電子的能量,且鈣鈦礦太陽能電池產生的熱電子能階剛也好比 bphen 能隙還要大,不會激發化合物中的電子,只是要需要克服兩種材料的接面障礙問題。未來科學家則打算實際打造出 bphen 鈣鈦礦太陽能電池,或許真的能為鈣鈦礦太陽能開闢新的道路。目前研究已發表在《Science Advances》。

註:bathophenanthroline (bphen)

(合作媒體:科技新報。首圖來源:格羅寧根大學)

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