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新好材料鈣鈦礦,改造太陽能電池

109/07/21 瀏覽次數 3457
隨著現代科技的發展,人類對能源的需求也逐漸增加,因此科學家一直努力尋找著合適的替代能源。其中最受矚目的能源之一,莫過於取之不盡、用之不竭的太陽能,因此科學家也一直想研發出理想的太陽能電池,能夠把太陽的能量盡可能的轉化為電能,並且長時間儲存起來。
 
一直以來,太陽能電池的材料都以最常使用的半導體材料——矽晶為主,然而自2009年開始,一種特殊的有機金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」引起了科學家的注意。「鈣鈦礦」原本是指鈣與鈦的氧化物CaTiO3(結構可表示為ABX3),因為有機金屬鹵化物的結構與鈣鈦礦ABX3同類型,所以統稱為鈣鈦礦(見圖1)。太陽能電池用的鈣鈦礦,吸收光的效率很高,吸收光子後,可以很快地分離成電子與電洞,傳送到電極而產生電流。這樣的高效率讓科學家想到,何不用鈣鈦礦來製作太陽能電池呢?
 
圖1、鈣鈦礦晶體結構示意圖。用做太陽能電池的鈣鈦礦通常為有機金屬鹵化物。(圖/林唯芳、王彥錡)圖1、鈣鈦礦晶體結構示意圖。用做太陽能電池的鈣鈦礦通常為有機金屬鹵化物。(圖/林唯芳、王彥錡)
 
臺灣大學材料科學與工程學系教授林唯芳的研究領域一直以高分子材料為主,也研究過以有機材料來製作太陽能電池。鈣鈦礦的出現,很快就吸引了林唯芳的眼球。「鈣鈦礦這種材料簡直不得了。」談起鈣鈦礦,林唯芳透露著興奮的心情,因為和傳統的矽晶相比,以鈣鈦礦製作太陽能電池的製程簡單太多了!
 
製作太陽能電池,竟和刷油漆一樣簡單
 
首先,以矽晶做為材料時,為了減低晶格裡的缺陷數量,必須經過約900℃的高溫長時間處理,然後再以半導體高真空高溫製程製作成二極體太陽能電池,工序繁瑣嚴苛。但鈣鈦礦太陽能電池是以溶液塗佈薄膜的形式來製作,所以不需這麼高溫,也不需要真空環境,只要在一般環境裡就可以製作。
 
鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖2,在製造時,每一層都只需要簡單的塗佈,再以紅外線快速烘乾長晶(註1)即可,烘乾需要的時間甚至不到一分鐘。林唯芳形容:「整個過程就像刷油漆一樣簡單。」而因為鈣鈦礦太陽能電池的製作就像刷油漆一樣,因此比起矽晶,鈣鈦礦更容易做出大面積的太陽能電池,甚至是塗佈在各種基材上,做出可撓曲、各種色彩的太陽能電池,應用更加廣泛。
 
圖2、鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。(圖/林唯芳、王彥錡)圖2、鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。(圖/林唯芳、王彥錡)
 
不過林唯芳也說,目前鈣鈦礦和矽晶相比,使用壽命短了許多,矽晶太陽能電池一般認為具有30年左右的壽命,但鈣鈦礦的結構大約只能維持10年。這是因為鈣鈦礦的晶體結構中,ABX3各成分之間只是單純的彼此堆疊及配位鍵(註2) ,並非以共價鍵結合,鍵結不夠強的情況下,容易受到破壞。林唯芳的團隊也嘗試著用加入不同離子的方式,增加鈣鈦礦的穩定度,延長使用壽命。
 
鈣鈦礦與矽晶的合作無間
 
林唯芳強調:「我們對太陽能電池的期許,除了大面積、長壽命外,更重要的是高轉換效率。」這幾年來,在林唯芳團隊及全世界科學家的努力下,鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經追上矽晶太陽能電池,約在20-25%左右。不過,鈣鈦礦和矽晶並不是對立的角色,包括林唯芳在內的許多科學家,都正在嘗試讓這兩種材料「合作」——他們將鈣鈦礦與矽晶疊起來,達到更高的光電轉換效率!
 
鈣鈦礦與矽晶的比較表。(圖/何庭劭繪)鈣鈦礦與矽晶的比較表。(圖/何庭劭繪)
 
這是因為鈣鈦礦能吸收轉換的光波段和矽晶不同,鈣鈦礦主要吸收較高能量的短波波段,矽晶則以較低能量的長波波段為主,所以若讓太陽光先後穿透鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池,就能更有效率的利用太陽光裡各種不同波段的光。
 
在疊層的做法上,有些研究團隊是在製作太陽能電池時,改變製程,設法將矽晶與鈣鈦礦疊層。不過林唯芳和聯合再生能源公司合作,將兩種太陽能電池獨立製作,只是將鈣鈦礦太陽能電池的電極轉換成可透光的材料,然後直接機械式的疊起。林唯芳解釋:「這樣做的好處在於可以維持現有的矽晶太陽能電池的製程,再加上簡單的鈣鈦礦太陽能電池製程,在現階段的技術上是最有商機的。而且現在鈣鈦礦太陽能電池還是比較容易損壞,如果它先損壞了,我們可以只要替換新的鈣鈦礦太陽能電池上去就好。」
 
圖3、鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池疊層,可以增加光電轉換效率。(圖/林唯芳、吳庭慈)圖3、鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池疊層,可以增加光電轉換效率。(圖/林唯芳、吳庭慈)
 
談起這幾年鈣鈦礦的興起,林唯芳認為這是非常有希望的一種材料!在這幾年的積極努力下,林唯芳不但在鈣鈦礦太陽能電池的研究上有進展,還為技術的產業化努力,鼓勵畢業同學廖學中與許哲溥,創立前創科技公司,專精於鈣鈦礦太陽能電池材料的製造和生產,並和臺大機械系的黃秉鈞教授、億尚精密機械公司合作,共同研發了專門塗佈製作鈣鈦礦太陽能電池的機器(如圖4)。另外也和生產矽晶太陽能電池的聯合再生公司合作,發展大面積高效率層疊太陽能電池,形成了上中下游完全自主整合的一條鞭生產鏈。
 
林唯芳說:「這對我們臺灣的產業界也帶來了貢獻,雖然我是做學術研究的,但能幫助到臺灣的產業,我也覺得很開心。」而鈣鈦礦這個「大自然的禮物」,將為太陽能以及人類生活帶來的改變,也值得我們期待。
 
圖4、鈣鈦礦太陽能電池薄膜製造機。(圖/黃秉鈞)圖4、鈣鈦礦太陽能電池薄膜製造機。(圖/黃秉鈞)
 
註1:製作有結晶的鈣鈦礦薄膜。
註2:配位鍵的鍵結能量比共價鍵低。
 
審閱:林唯芳教授
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