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曼徹斯特大學(University of Manchester)的團隊解開了一個困擾 40 年的謎團,為太陽能電池提高效率邁出第一步。這項新研究發現作為太陽能電池原料的矽基半導體存在的缺陷,會導致光衰減(Light Induced Degradation , LID),讓太陽能電池在使用的前幾個小時內效率下降 2%。

謎團散去

研究人員東尼·匹克教授(Tony Peaker)表示:「因為環境和財務的影響,太陽能板『效率降低』一直是過去四十年來科學和工程界關注的主題,儘管有不少優秀的人才在這塊領域努力,但問題到現在仍未獲得解決。」

40 年間共有 270 篇研究論文專注在此領域,而這項新研究使用了一種稱為深階暫態能譜(deep-level transient spectroscopy, DLTS)的電學和光學技術來了解摻雜硼的矽基半導體缺陷。這項缺陷會處於休眠狀態,直到太陽能電池發熱,因溫度升高而解除休眠。

當太陽能電池受光照產生電子的同時,這項涉及分子結構轉變的缺陷也產生「陷阱」限制著電子流動,從而降低了電流。光電業界判斷材料品質標準的方式是量測產生電子的「壽命」,更高品質的材料產生的電子壽命更長,這支持了這個陷阱與效率降低有關的觀點。

另外研究人員也發現,在黑暗中加熱材料,可以逆轉衰減,但並非一勞永逸,因為該狀態是一個介穩狀態(metastable state)。

影響甚巨

匹克教授表示:「效率降低 2% 可能看起來不是什麼大問題,但是當想到這些太陽能板負責提供世界大部分能量需求並以指數增長時,它就是一個重大的發電損失。」

另一位研究人員伊恩·克羅博士(Iain Crowe)表示:「太陽能電池可產生的電流取決於電子流動,阻礙它便是限制了太陽能電池的效率與發電量。我們已經證明缺陷存在,現在需要以工程方法修復。」

估計全球安裝的太陽能板因此短少的發電能力達數十吉瓦(GW),相當於全英國 15 座核電廠的發電量,而這部分能源缺口正倚靠較不環保的發電方式補足,例如火力發電。

參考資料:

    1. Vaqueiro-Contreras, M., Markevich, V. P., Coutinho, J., Santos, P., Crowe, I. F., Halsall, M. P., . . . Peaker, A. R. (2019). Identification of the mechanism responsible for the boron oxygen light induced degradation in silicon photovoltaic cells. Journal of Applied Physics,125(18), 185704. doi:10.1063/1.5091759
    2. Robinson, B. (2019, June 03). Solar cell defect mystery solved after decades of global effort. Retrieved June 18, 2019.
    3. Nield, D. (2019, June 8). After 40 Years of Searching, Scientists Identify The Key Flaw in Solar Panel Efficiency. Retrieved June 18, 2019.
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