太陽能電池(solar cell)已經出現許多年了,但至今尚未能對於整體電力生產帶來重大貢獻。近年來,太陽能電廠雖然如雨後春筍般湧現,但可能造成環境污染的化石燃料仍然佔據主導地位。儘管如此,對於如何為太陽能電池提高能源效率和成本的研究仍在持續進行中。

2018年7月,Imec和EnergyVille宣佈共同開發的太陽能電池達到了27.1%的效率新高記錄。預計在本文發表之際,這項記錄可能還會有新的突破。事實上,根據Imec指出,研究人員採用鈣鈦礦搭配矽晶太陽能電池的方法,已經達到30%的效率了。

鈣鈦礦是什麼?

鈣鈦礦是一種與鈦酸鈣(calcium titanite)具有相同晶體結構的材料。研究人員將鈣鈦礦材料配置於矽晶太陽能電池的頂部,藉由使矽的熱化損耗降至最低,同時從陽光中發電,從而提高了效率。Imec/Energyville研究員Manoj Jaysankar表示,「鈣鈦礦預計將成為目前矽晶太陽能電池的附加價值,它不但顯著提高了效率,而且僅增加了一點點的成本。」

「鈣鈦礦極具發展前景,因為它具有優質的電氣特性——就像矽(Si)或砷化鎵(GaAs)的表現一樣出色,加上它的材料成本低、太陽能電池的製造成本低,而且由於是一種薄膜技術,因而也可以在軟性基板上製造。」Manoj並補充說:「儘管鈣鈦礦太陽能電池的電氣性能相當於現有的太陽能電池技術,但我們並不希望它取代現有技術,而是期待它能在軟性、建築物整合等新市場發揮作用。」

研究人員使用自旋塗佈技術——這只是幾種可能的技術之一——將液態鈣鈦礦材料沉積在基板上,此外,還使用了刮刀式塗佈、點滑塗佈和噴墨印刷等方法。為了達到27.1%的效率,研究人員在4 cm²的矽晶太陽能電池頂部添加了一個0.13cm²的自旋塗佈鈣鈦礦電池。由於效率隨著電池尺寸的增加而降低,當鈣鈦礦模組尺寸增加4 cm²並置於4 cm²的矽晶電池上時,所測得的效率下降至25.3%。即使以這樣的尺寸來看,這種組合式太陽能電池的效率仍然超過獨立型的矽晶電池。

Imec研究人員打造了一個四端的太陽能電池,如圖1所示。頂部是鈣鈦礦太陽能電池,透過光學耦合至底下的矽晶電池,並分別提取來自兩個電池的電量。鈣鈦礦和矽晶的結合提高了整體轉換效率。根據Manoj表示,獨立型矽晶電池的效率為23%。此外,還有串聯太陽能電池的雙端版本,其中頂部和底部電池的電量可加以整合。雖然這確實減少了提取電量所需的電子元件數,但是由於一天中不同時間的可變光譜範圍,導致其產生的電量較低。採用四端配置的兩個電池則僅以光學方式連接。從這些和之前的研究結果來看,效率增益似乎更勝於太陽能電池及其電子裝置的額外增加的製造成本。

Cell Schematic

圖1:Imec研究人員採用由鈣鈦礦(頂部)結合矽晶(底部)組成的太陽能電池。兩種電池之間透過光學耦合,帶來比單矽晶電池更高的電源轉換效率(來源:Imec)

Imec的測試設置

Imec研究人員以圖2的配置測試電池。完整的測試配置包括經校準的「太陽模擬器」和Keithley數位電表(SourceMeter)。模擬器以1000W/m2的光量照射太陽能電池,而SourceMeter則用於測量電池的電輸出(電壓和電流)。商業軟體與SourceMeter進行通訊,並顯示輸出和計算效率。在此設置中,SourceMeter僅用於作為測量儀器。

Cell Test

圖2:Imec的測試設置採用校準的太陽模擬器照射待測電池(來源:Imec)

Manoj解釋這一測試程序:

  1. 對元件進行高達2V的電壓掃描;
  2. 測量每個電壓下的電流,以獲得太陽能電池的I-V特性;
  3. 從I-V曲線中提取短路電流密度、開路電壓和填充係數。

軟體計算電池上的I-V曲線,以找到最大功率點,它通常出現在曲線的轉折處(如圖3)。

Cell IV Curve

圖3:太陽能電池I-V曲線上的最大功率點通常發生在轉折處

輸出電流的密度通常為幾十毫安(mA)/ cm²,而電壓輸出則可達到2.2V (矽晶電池為0.7V,鈣鈦礦為1.5V)。

效率 = 短路電流密度 × 開路電壓 × 填充係數

鈣鈦礦問題

如同任何新技術一樣,鈣鈦礦增強型太陽能電池也存在一些問題。最主要的顧慮就在於鉛的存在。雖然太陽能電池中的鉛不像油漆中的鉛那麼容易接近,但化學家和物理學家仍然必須解決這個問題。

壽命短是一開始就已經出現的另一個問題。早期的鈣鈦礦材料在幾分鐘內就會失去其晶體結構。而今,其結構的穩定性已能持續數千小時,因為研究人員已經找到了更好的材料配方,為其帶來更高的穩定性,同時維持提高功率效率所需的吸收能力。壽命和轉換效率可望持續提高,一旦鉛問題解決了,鈣鈦礦材料將有助於提升太陽能電池性能,促進可再生能源的利用。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Perovskite improves solar-cell efficiency,by Martin Rowe)