太陽能若變得更便宜,鈣鈦礦改朝換代功不可沒

太陽能發電已逐漸改變世界各國的電力市場占比,而研究人員認為,未來太陽能將變得更高效、更便宜,關鍵材料就在於一種被稱為鈣鈦礦的晶體全面開發。 太陽能電池領域長江後浪推前浪,而鈣鈦礦電池目前被認為是繼傳統矽電池之後最有前途的接班人,自 2009 年首次報導曝光至今,短短數年就已被證明具有高達 22% 的轉換效率,幾乎與傳統矽電池旗鼓相當,而這位新人還有可觀的成長空間,但矽電池的效率已長時間停滯在 25% 左右。 迄今為止,鈣鈦礦的表現超越其他所有新型太陽能材料,比如染料敏化太陽能電池(DSSC)、有機太陽能電池等,其快速發展讓許多科學家對其持樂觀態度。 染料敏化太陽能電池是一種廉價的薄膜太陽能電池,基於由光敏電極和電解質構成的半導體,是一個電氣化學系統。它吸引人的優點是可用低廉材料製成,製程比以前的電晶體電池還要便宜,它可以被製成軟片,不需要特別保護,雖然能量轉換效率比最好的薄膜電池要低,但理論上它們的性價比已足夠高。 鈣鈦礦(Perovskite)則是一種氧化物礦物,一般化學式為 ABX3,最早被發現存在於鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物而得名,具有立方晶體結構:A 和 B 是兩個大小不同的陽離子,X 則是與兩者結合的陰離子(通常是氧)。 ▲ 鈣鈦礦晶體結構圖。A 原子(綠球)是較大的金屬陽離子,比如 Ca 2 + ,位於立方體中心;B 原子(藍球)是較小的金屬陽離子,比如 Ti 4 + ,分布在立方體的 8 個角落;X 原子(紅球)通常則是氧。(Source:By Cadmium at English Wikipedia (Transferred from en.wikipedia to Commons.) [Public domain], via Wikimedia Commons) 隨著研究進展,科學家可以透過以其他元素代替鈣、鈦、氧來改善這種材料的物理化學性質,來產生在光伏方面的具體應用,目前研究最多的鈣鈦礦化合物為(CH3NH3)PbI3,在這種材料中,鈣離子,鈦離子和氧離子分別被甲基銨、鉛、碘離子取代。 但在鈣鈦礦材料可以商用之前,它還有些重大障礙需要突破:第一,鈣鈦礦晶體在潮濕條件下容易分解,若沒有適當隔絕水份的密封技術,電池就會在短時間內告終,這導致穩定性低;第二,科學家目前只在非常小的鈣鈦礦電池中實現高效率(大概只有一片指甲大小),放大版的鈣鈦礦電池還沒有出現相同效果。 鈣鈦礦電池現在還很難打敗矽晶電池,因為後者已發展出規模經濟。《Financial Times》報導,美國史丹佛大學材料科學與工程教授 Michael McGehee 最近提出了一項新的解決方案:「串聯」太陽能電池,藉由在傳統矽晶上層覆蓋鈣鈦礦,兩者互相合作,不要只聞新人笑,舊人仍有用武之地。 由於半透明的鈣鈦礦電池可以捕獲可見光譜中的波長,其他波長則穿過鈣鈦礦電池,交由下面的矽電池捕獲,McGehee 的研究表明,串聯電池的效率可比單打獨鬥的矽電池高出 10%,這可能是鈣鈦礦材料打入以矽為主導市場的另一種方式。 只要能克服穩定性和尺寸,鈣鈦礦太陽能電池就有可能改變太陽能源的經濟性,畢竟它們比矽電池還要便宜許多,鈣鈦礦晶體可在相對較低的溫度下生產,不像矽需要大量熱量製造晶片。
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