新生代電池崛起 全無機鈣鈦礦太陽能電池有望緩解能源危機

 二十一世紀(jì)以來,全球經(jīng)濟增長所引發(fā)的能源消耗達到了空前的程度,再加上?境污染日益?重,世界各國的科研人員都致力于開發(fā)新的?色能源和可再生資源,以保證能源正常供應(yīng)又能?低??境的破?。如今,硅基太陽能電池?已發(fā)展了50年,應(yīng)用也日趨廣泛,但生產(chǎn)卻因為原材料昂貴而走到了瓶頸期。所幸期間也涌現(xiàn)出不少新技術(shù),包括有機-無機復(fù)合的鈣鈦礦太陽能電池(organic–inorganic hybrid perovskite solar cells)與全無機鈣鈦礦太陽能電池(all-inorganic perovskite solar cells)。?中,雖然有機-無機復(fù)合鈣鈦礦電池在光電轉(zhuǎn)換效率上更勝一籌,但當(dāng)溫度達攝氏85度時,它的有機部分就會分解。相反,全無機鈣鈦礦?然光電轉(zhuǎn)換效率?差,?在高溫下有?佳的熱穩(wěn)定性(thermal stability),甚至可適用于沙漠這樣較為極端的環(huán)境。

因此,香港城市大學(xué)的研究團隊近年來一直在積極探研提高全無機鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率的方法。全無機鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率不高的主因,是制備鈣鈦礦時涉及快速結(jié)晶的過程,表面或晶界有時會出現(xiàn)一些缺陷,而這些缺陷會令電荷無法自由流動,窒礙電流形成,造成開路電壓(open-circuit voltage)嚴(yán)重流失。于是他們在制備鈣鈦礦的過程中,添加了特制的小分子6T1C-4F,以?少表面或晶界的缺陷。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),開路電壓從1.10V顯著提高到1.16V,且填充因子(Fill Factor, 即電子有否被有效收集)及短路電流(Short circuit current)在添加6T1C-4F作鈍化后都有所改善。研究結(jié)果還顯示,在連續(xù)照射350小時后,電池的能量轉(zhuǎn)化效率只下降了約15%。這說明添加6T1C-4F以鈍化鈣鈦礦的表面,不僅能保護鈣鈦礦的表面免受濕氣、氧氣和光線的侵蝕,而且結(jié)晶的顆粒增大了,能有效減少晶界缺陷及電流流失,使得全無機鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性均能有所提高。

據(jù)悉,香港城大上述新研發(fā)的全無機鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率為16.1%,而獲中國計量科學(xué)研究院認證的效率亦高達15.6%。

?次研究由香港城大學(xué)務(wù)副校長兼化學(xué)及材料科學(xué)講座教授任廣禹教授??,他在在鈣鈦礦研究領(lǐng)域領(lǐng)先,其相關(guān)論文廣被引用。他指出,?次研究成果的突破在於找出了??方法,便可?成光???效率??定性兼具的全無機鈣鈦礦電池。他相信, 全無機鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率還有進一步提升的潛力。

他又指出,他?這款全無機鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計是“倒裝式”,適合制成疊層式太陽能電池(tandem solar cells)。疊層式太陽能電池的的特色是,能同時吸收不同光譜的太陽光,因此科研界?料,其光電能量轉(zhuǎn)換率未來可超過30%。

任教授還表示,科研人員對鈣鈦礦電池展開研究雖然只有約十年時間,但鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已由最初的3.8%急增至超過25%,直逼我們現(xiàn)時常用的硅基太陽能電池。加上鈣鈦礦以溶液制成,不僅制作簡單易大量生產(chǎn),制造所需的能源更只是硅基太陽能電池所需的十分之一,應(yīng)用潛力極大。倘若商業(yè)化,必定對解決現(xiàn)時的能源危機大有裨益。