理論上來說,藉由混合正確的材料而做出的鈣鈦礦(perovskite)結晶能夠將光電轉換效率推向超過 30%,勝過矽基太陽能電池(目前為止最豐富的太陽能電池技術)的效率,且成本也較低。這些結果在論文上都很棒,但實際上,有某個東西讓此技術沒有辦法表現得這麼好。

鈣鈦礦太陽能電池

在正確的情況下結合鈣、鈦、與氧的話,就會形成重複的分子單元,這些分子單元看起來像一堆在角落相連起來的盒子。不論參與其中的元素,這種特別的結晶圖案被稱作鈣鈦礦結構。

鈣鈦礦在人類尋找能夠便宜且有效地捕捉太陽能的方法中貢獻了很多。藉由撒上有機分子,這些結晶結構已經能夠將 1/4 以上落於它們上頭的光轉換成電力。比方說,若從碘化鉛出發,將碘化鉛丟到譬如甲胺(methylammonium)等有機化合物中來獲得正電,在撒上一些陽光,你就正在產生一些電流的路上了。

效率下降元凶

為了在這能量轉換上達到超過 25% 的效率,工程師們很快地學到,確保有足夠的碘化物是有償的,這似乎是要確保在鈣鈦礦晶格中的任何缺陷都好好地且完全地被填滿。但是,此假設從來沒有完整地經測試,因此來自美國聖塔芭芭拉加利福尼亞大學(University of California, Santa Barbara)的研究人員回到第一原理來決定到底真的發生了什麼事。

當研究團隊透過最尖端的計算,來分析當電子遷移過有機分子與碘化鉛的混合結構時,影響電子的量子行為時,他們發現加入更多的碘化物並不是實驗所認為正確的步驟。結果發現,系統中的缺陷並不在任何人所預期之處:並不是鈣鈦礦晶粒中的缺陷,而是先前被認為堅不可摧的單元,即有機成分,造成了結構的弱點。事實證明有機成分的氫能夠馬上消失。

主要研究員與材料工程師張協助理教授(Xie Zhang,音譯)說:「甲胺碘化鉛是典型的混合鈣鈦礦。我們發現要斷開其中一個鍵結,並且從甲胺分子上移掉一個氫原子是多麼的容易。」

氫的空缺在電路中形成了不便的坑洞,導致當太陽光從周圍的鈣鈦礦結構中使電子自由化時,阻礙了電流的產生。張教授說:「當這些電荷陷在空缺中時,它們就再也無法進行有用的工作,例如對電池充電或驅動馬達,因此效率下降。」

改善方法與未來走向

雖然在目前階段,這個過程完全是理論的,但是該計算也讓團隊能夠在此缺陷的周圍找出方法。其中一個與實驗結果相匹配的可能性是在碘化物濃度中找尋一個中間值。

另外,將原本的有機分子換成另一種例如銫(cesium)的陽離子,或者更好地,換成一種相似的有機化合物,例如甲脒(formamidinium)的話,也可以導致根本效率上的改善。

將這個理論研究轉換成生產電力的實際方法需要更多的測試與計畫。在計算上可行的方法需要能夠整合入製程中,並利用此製程在甲脒分子的周圍長出沒有缺陷的鈣鈦礦晶圓。為了讓鈣鈦礦有希望主導能源生產市場,會需要在金融與功能方面都展現出其價值。

對矽的預測顯示,要使其超過其理論極限的 30%,還有很長的路要走。但是若考慮到鈣鈦礦在過去十年中獲得的進步,鈣鈦礦太陽能電池可能會在不久的將來取得重大突破。

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參考資料:

  1. McRae, M., (2021, April 30). Scientists Finally Uncovered a Major Efficiency Flaw Holding Back Solar Cells. ScienceAlert
  2. Zhang, X. et al., (2021, April 29). Minimizing hydrogen vacancies to enable highly efficient hybrid perovskites. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-021-00986-5
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-uncover-a-major-flaw-that-s-been-holding-back-next-gen-solar-cells(圖:XIE ZHANG)
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