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為何鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池是現今再生能源技術的明日之星?

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發展鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術最有力的工具

  1. 再生能源的重要性
  2. 鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池的優勢與發展潛力
  3. 支持鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術發展最有力的工具

1. 再生能源的重要性

         隨著全球人口持續增加,且大眾對於科技商品的依賴不斷提升,人類對於能源的需求有增無減。依據世界能源理事會World Energy Council (https://www.worldenergy.org/) 的預估,西元2060年,人類對於電力的需求將翻倍,若以石化燃料 (Fossil Fuel) 發電來供應,我們除了要面對燃料儲量枯竭的問題,燃燒石化燃料對於環境的汙染所造成的溫室效應,更將造成人類無法承受的生存浩劫。

 

    因此,使用再生能源 (Renewable Energy) 就成為唯一的解決方案。再生能源的種類很多,包括:生質燃料﹅地熱﹅潮汐能﹅水力發電﹅風能﹅氫燃料與太陽能…等等。在考量能源供應的充沛性﹅穩定性以及轉換效率等重要因素後,太陽能脫穎而出,成為全球最為倚重的再生能源項目之一。

 

    太陽能的應用相當廣泛,歸納起來主要有三種運作模式:

  • 『光電轉換』:利用太陽能電池進行發電。
  • 『光催化』:利用觸媒進行光催化製氫、二氧化碳還原、有機汙染物降解、生質能轉化等。
  • 『光熱能』:利用太陽光的熱能製備熱水,鹽類蓄熱﹅進行海水淡化等。

    太陽能相當充沛。地球在上層大氣傳入的太陽輻射(日照)接收了174 petawatts (PW)。大約有30%的太陽能被反射回太空,而其餘的太陽能則被雲層、海洋和陸地吸收。在地球表面的太陽能光譜大多分布在一小部分近紫外線,全部可見光,和近紅外線的光譜範圍。地球平均接受的光照能量大約為1.7 × 1017瓦特,其能量的1%相當於能夠提供全球74億人口兩百天用量,因此,太陽能可視為無窮盡的資源。(參考資料:維基百科 https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw;世界材料網 https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=32994)   

2. 鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池的優勢與發展潛力

        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。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?(參考資料:泛科學 https://pansci.asia/archives/323726)

 

       以鈣鈦礦製作太陽能電池具有哪些優勢呢?

  • 生產製程簡化: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。
  • 能量轉換效率高:鈣鈦礦太陽能電池的理論轉換效率>40%,目前實驗室已產出的鈣鈦礦單獨元件,其轉換效率已達成25%,鈣鈦礦/矽晶疊層電池則已高達30%。(參考資料:台灣鈣鈦礦科技 https://www.tw-perovskite.com/3rdgenerationsolarcells)

       當然,鈣鈦礦太陽能電池也非完美無缺,目前最大的缺點就是電池壽命遠不如矽晶太陽能電池。一般而言,矽晶太陽能電池的壽命可達30年,但鈣鈦礦太陽能電池的壽命大約只有10年。

 

       為了提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率與壽命,許多科學家相繼投入研究。除了透過適當的材料參雜(Doping)來改善電池內部的電荷傳輸機理,亦透過創新的電池結構設計,成功提高太陽能電池的整體光電轉換效率,其中,鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池即為代表性的產物。

 

       台灣大學林唯芳教授帶領的團隊,就是從事鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池研究的佼佼者。林教授團隊將透明的鈣鈦礦電池層,貼在矽晶太陽能電池的表面,形成疊層結構。當太陽光照射此疊層電池時,上層的鈣鈦礦材料吸收較短波長的太陽光,進行光電轉換;較長波長的太陽光則穿透上層電池,到達下層的矽晶太陽能電池,這也正好是矽晶太陽能電池光電轉換效率最高的波段。(請見圖一)  

鈣鈦礦-矽晶太陽能疊層電池, IPCE

圖1. 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。(參考資料:泛科學 https://pansci.asia/archives/323726)

  林教授的疊層設計還有一項優點,那就是:受限於目前鈣鈦礦太陽能電池的壽命仍遠不如矽晶太陽能電池,日後若上層的鈣鈦礦電池損壞了,我們還能撕掉上層結構,重新貼上新的鈣鈦礦太陽能電池,賦予電池模組新生命。

3. 支持鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術發展最有力的工具

       從眾多頂刊發表的研究報告顯示,Voc-loss開路電壓損耗分析(以下簡稱Voc-loss),是現今最多研究者採用,藉以持續突破鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cell, PSC)效率極限,最有效的方法。

光焱科技, Voc損耗分析, Voc Loss Analysis

圖2. 近年研究鈣鈦礦太陽能電池效率改善,採用Voc損耗分析發表論文數統計圖。

        圖2.為鈣鈦礦太陽能電池領域關於Voc損耗分析相關的SCI論文發表數統計。由趨勢可見,自2015年開始開路電壓Voc損耗研究逐漸受到關注,呈線性增加。雖然在2019~2020年,論文數因為Covid-19疫情有一個停滯期,但是在2021年有一個數量倍增的論文數增幅。而統計到2022年5月的SCI論文發表數,已經達到2021年全年度的水平。預估2022年的論文數相較於2021年,也會有倍增的論文數成長。

      如前所述,歸納許多傑出科學家針對鈣鈦礦太陽能電池Voc損耗分析的研究成果,在結構上,多數關注的重點在於鈣鈦礦吸收體和電荷傳輸層之間的介面,若能進行精準的定量分析,確定其非輻射複合的起源,將對於持續突破鈣鈦礦太陽能電池效率極限,帶來極大的助益。

  基於上述需求,有兩件事自然成為鈣鈦礦研究領域最在意的項目:(1)如何做到精準量測?(2)如何能利用量測數據快速計算並獲得熱力學損耗(ΔE1)﹅輻射複合損耗(ΔE2) & 非輻射複合損耗(ΔE3)的分析結果?這也是此研究領域普遍面臨的痛點。

  光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統 (Enlitech REPS) 是一套完整的系統,可以幫助科學家測量、計算和分析工作中的太陽能電池中的Voc-loss,並為下一步的工藝改進提供思路。REPS不僅可以精準檢測極低的EL-EQE信號(低至 10-5 %,即 7 個數量級),還可以計算熱力學Voc loss、輻射複合 Voc loss和非輻射複合 Voc loss (通過其軟體SQ-VLA)。此外,它還可以在一個柱狀圖中分析不同類型器件之間的 ΔV1、ΔV2和ΔV3損耗。快速提供研究人員有效的測試數據與分析結果,除了可以大幅節省研究人員的時間,還可避免人為運算所導致的錯誤。

 

光焱科技, Enlitech, 鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統, REPS

圖3. 光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統 (Enlitech REPS)

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圖4. 採用光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(REPS)針對鈣鈦礦太陽能電池進行損耗分析改善,系統產出的研究成果可以無縫接軌快速發表於期刊。

       對於PERCHJTTOP-Con 等高效矽晶太陽能電池轉換效率的研究,自2015年起,將研究重心放在損耗分析已成顯學。轉換效率損失可歸因於三個因素,包括短路電流密度 (Jsc)、開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF) 損失。光焱科技的 QE-RX 不僅可以測量  PV-EQE、反射率和 PV-IQE 數據,還可以結合分析軟件 SQ-JVFLA 分析 JscVoc FF 損失。 Enlitech QE-RX 中集成了三種不同的測試功能,並開發了 SQ-JVFLA 軟件,幫助用戶使用 Shockley-Queisser 熱極限理論分析三種不同的損耗。 QE-RX 是您提升矽晶太陽能電池光伏效率的最佳合作夥伴。

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圖5. 光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統

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