新世代的焦點─鈣鈦礦太陽能電池
2019/01/11

張志玲 | 《科學發展》特約文字編輯

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根據美國國家再生能源實驗室的評估,到2050年時人類能源的需求將達到28 TW(1 TW等於1×1012瓦)。然而太陽照射到地表的總能量就有12萬TW,這表示只要能善用太陽能量的0.3%,就足以供應人類一切所需。要把太陽能轉化為電力需要透過太陽能電池,目前的主流元件是矽基太陽能電池,但其製程繁複耗能,元件又厚重易碎,導致發展受限。是否有新的材料可取而代之呢?

近年來一種以「有機金屬鹵化鈣鈦礦材料」的太陽能電池吸引了眾多研究人員的注意,因為2010年時它的轉換效率只有3%,然而在5年內就已突破至22%。也就是說所吸收的100個光子就有22個可轉換成電力,因此這類電池已成為新世代太陽能電池的焦點。

鈣鈦礦太陽能電池的製程耗能低,又可大面積生產,並有低成本、製程簡易、質輕量薄、可撓曲等多重優勢。例如在低溫(攝氏100度)下把鈣鈦礦材料做成染料,然後利用滾輪把它印在基板上,其成品就是太陽能電池了,製程簡單快速,又可以大量生產。值得一提的是,若把它做成透光或半透明的元件,可開啟更多的應用。就是這些優點吸引了許多科學與財經的雜誌紛紛對其做專文報導,而《科學》期刊更把它列為2013年科學界10大重點突破之一。

然而鈣鈦礦太陽能電池的發展仍有瓶頸,一是大面積元件的效能仍待改善,另一是鈣鈦礦元件在大氣環境中會快速劣化,導致長期穩定度備受質疑。針對這些問題,臺北醫學大學奈米醫學工程研究所副教授張志宇老師提出了利用原子層沉積技術(atomic layer deposition,以下簡稱ALD)加以解決的方法。

ALD是目前公認最好的薄膜沉積技術,其利用交替方式導入兩類高反應性的前驅物,讓它們在基板表面上吸附與反應,未反應者則移除。做法是:先導入第一個反應前驅物,當其分子吸附在基板上後,多餘未吸附的會被載體氣體(如N2)移除,進而得到第一種前驅物的單一吸附層。接著再導入第二種前驅物,它們會立刻與基板上的單層吸附分子作用形成薄膜,剩餘未反應的部分仍會被氣體帶走。

如此重複進行,直到達成所需的薄膜厚度。上述機制稱為自我局限反應,由於每一層都是化學吸附,因此無副產物,也無未反應物的殘留,確保了薄膜的高品質特性。

利用這ALD的特性,張老師在製作鈣鈦礦太陽能電池時,就以ALD的氧化鋅做為界面修飾層。這與大多數研究者的做法不同,但得到了非常優異的薄膜覆蓋率。而且以這ALD氧化鋅製造的元件,其效能也遠比一般氧化鋅薄膜的元件高。可見ALD氧化鋅薄膜於鈣鈦礦太陽能電池的應用極具潛力。

在考慮應用時,張老師又想到,若能把半透明太陽能電池與建築物結合,除可防熱、遮陽外又可以產能,頗符合綠建築的要求。於是他又以氧化鋅做界面修飾層,再以氧化鋁(ALD Al 2O3)做封裝層,製備了高效率長壽命的半透明式太陽能電池元件。這元件效率達10.8%,光學穿透度是25.5%(表示有1∕4的光可穿透出去),而這些特性都適合應用於可發電窗戶。

另外,為提升元件的長期穩定性,他又整合了界面修飾技術與氧化鋁封裝層,並把這元件放在陽光下連續照射超過1,500個小時。結果發現,鈣鈦礦太陽能電池依然有很高的效率,其穩定度表現是目前鈣鈦礦太陽能電池文獻中最佳的,相關報導已刊登在2017年的期刊中。