鈣鈦礦--太陽光電穿新衣-科學人雜誌
材料科學

鈣鈦礦--太陽光電穿新衣

2015-09-01 希瓦倫(Varun Sivaram)、史川克斯(Samuel D. Stranks)、史奈斯(Henry J. Snaith)
鈣鈦礦電池近年來異軍突起,比起主流市場的矽電池,除了製造成本低、應用廣泛,光電轉換效率更是急起直追。但目前還需克服穩定性、尺寸和環境安全等問題。

重點提要

  1. 數十年來,矽晶一直是太陽能電池市場的主流,但以另一種結晶材料鈣鈦礦製造的太陽能電池,原型產品的光電轉換效率正快速趕上矽晶。
  2. 鈣鈦礦的製程溫度比矽低了許多,因此價格可比矽低廉。鈣鈦礦太陽能電池可滾壓製成具彈性的彩色薄膜,應用性比堅硬、缺乏彈性的矽太陽能電池更廣。
  3. 然而仍有重大挑戰必須克服。鈣鈦礦太陽能電池需要可妥善隔絕水份的技術,避免電池在數個小時內降解。
  4. 鈣鈦礦太陽能電池含有少量的鉛,為了安全起見,必須永久密封。此外也必須加大電池的尺寸;目前效率較高的產品,大小僅和指甲相仿。
2011年,還是研究生的李秀明(Michael Lee),在夜幕低垂時坐在日本一家燈光昏暗的酒吧裡,匆忙在啤酒杯墊上潦草寫下一連串化學成份,深怕不久之後就忘記了。當天稍早,日本桐蔭橫濱大學的科學家大方分享了開創性的太陽能電池配方,這個配方捨棄常見的矽,改用稱為「鈣鈦礦」(perovskite,CaTiO3,後來泛指具有ABX3晶體結構的物質)的新材料。這種新型太陽能電池把陽光轉換成電能的效率只有3.8%,因此並未受到注意。但這個配方為李秀明帶來靈感,他在日本完成了資料蒐集任務後,回到我們當時工作的英國牛津大學克萊蘭登實驗室,對該配方進行一連串調整。這次修改產生了第一款光電轉換效率超過10%的鈣鈦礦太陽能電池。李秀明的發明引發了潔淨能源熱潮,與石油不相上下,促使全世界的研究人員爭相提升鈣鈦礦的光電轉換效率。目前的紀錄是韓國化學技術研究所於2014年11月所締造的20.1%,在短短三年之間,效率提升到五倍之多。相較之下,最先進的矽太陽能電池開發工作持續進行數十年,效率一直停留在25%左右,我們和其他鈣鈦礦研究人員一直緊盯這個目標。此外,我們也準備透過史奈斯(本文作者之一)共同創立的牛津光電...

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# 關鍵字:材料科學鈣鈦礦太陽能
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