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太陽能電池材料結合矽與鈣鈦礦效率提升至25.2%
光伏技術市場上﹐經過幾十年研究投資的矽太陽能電池占據90%江山﹐但也已接近其理論極限效率。想讓市場成本持續下降﹐就必須提出更創新的材料﹐比如瑞士科學家帶來矽與鈣鈦礦相結合的太陽能電池﹐將效率再提升至25.2%。矽是太陽能電池首選材料﹐價格低廉﹑穩定且高效﹐目前市場典型的矽太陽能電池效率已達20~22%﹐但也接近極限﹐沒有更多發展空間。想讓太陽能電池更上一層樓﹐要不長江後浪推前浪尋求替代品﹐要不如同老屋新建﹐將矽結合其他材料以帶來新氣象。
近年來﹐鈣鈦礦的獨特性質促使科學家大量研究其在太陽能電池方面的應用潛力﹐9年內﹐鈣鈦礦電池效率大幅提升6倍﹐從2009年以3.8%效率運作幾分鐘﹐到現在最好的鈣鈦礦電池擁有22.7%效率﹐並能在嚴苛測試條件下運作數千小時。
來自瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)與瑞士電子和微技術中心(CSEM)的科學家試著截長補短﹐將各具優勢的矽與鈣鈦礦結合製成串聯電池﹐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。結合這兩種材料﹐我們將能最大限度利用不同波段的太陽光並增加電池發電量﹐該團隊的新型矽-鈣鈦礦太陽能電池已帶來25.2%效率﹐研究主要作者 Florent Sahli 及Jérémie Werner表示﹐30%效率很快就能實現。
不過疊加兩種材料來創建有效串聯結構也不容易﹐由於矽表層有如由無數「金字塔」組成﹐用來捕捉光線並防止其反射﹐但這種表面紋理使得鈣鈦礦薄膜難以沉積均勻﹐當鈣鈦礦以液體形式沉積時﹐常常會積聚在金字塔之間的「山谷」﹐山峰則未被覆蓋﹐導致短路問題出現﹔如果磨平金字塔﹐又會降低其光學性能。
為了解決障礙﹐團隊改使用蒸發法(evaporation method)形成無機基底層來完全覆蓋金字塔﹐再利用旋塗法(spin-coating)添加有機溶液﹐使其滲入基底層的多孔結構中﹐最後將襯底加熱至150°C﹐從而在金字塔頂部形成均勻的鈣鈦礦薄膜。
聽起來又麻煩又複雜﹐但研究人員說其實很簡單﹐幾個額外步驟就能和現有單晶矽生產線兼容﹐開始供應串聯電池﹐製造成本又不會過高﹐製造商不需建設全新廠房﹐只要稍微更新一下既有矽晶電池生產線即可。
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