科技生活| 多大華裔生設計出太陽能電池效率創紀錄

來自多倫多大學的一個由幾名華裔學生組成的研究小組，通過克服昔日設計的一個關鍵限制，創造了一種效率創紀錄的「三結鈣鈦礦」(triple-junction perovskite)太陽能電池。

該原型代表了在開發硅基(silicon-based)太陽能電池的低成本替代品方面的一個重大進展，而硅基太陽能電池是目前的行業標準。

多大應用科學與工程學院的實驗室 的Ted Sargent教授說：「除了較低的製造成本，鈣鈦礦為我們提供了在彼此之上甚至在傳統硅電池之上堆疊多層吸光材料的能力。」

今天的太陽能電池是由單一的超純硅片製成的，其生產過程是能源密集型的。相比之下，鈣鈦礦太陽能電池是使用鈣鈦礦多晶體薄膜製成的，這些薄膜用類似於印刷業中使用的低成本溶液處理技術塗在表面。通過改變這些薄膜中鈣鈦礦晶體的成分，每一層都可以被「調整」為吸收不同波長的光，從而有效利用整個太陽光譜。這在硅上是不可能的，因為它總是吸收相同的波長。

Ted Sargent的研究小組是那些開發新方法來釋放鈣鈦礦太陽能電池潛力的人之一。他們以前的工作包括兩層串聯電池，但他們發表在《自然》雜誌上的最新研究側重於三層設計。

「多層電池的設計通常是這樣的：帶有寬帶隙鈣鈦礦的頂層吸收能量最高的光子，也就是短波長的高頻光，朝向光譜的紫色一端，」博士後研究員Zaiwei Wang說，他是這篇新論文的四個共同第一作者之一。「下一層將吸收中等波長，底部將吸收較長的波長。但正是在頂層，我們得到了光誘導相分離的挑戰。」

該團隊使用了一種被稱為ABX3的鈣鈦礦材料，它由不同的物質混合而成—包括銫、鉛、錫、碘、溴和一些小型有機分子。尤其是頂層，由混合鹵化物鈣鈦礦組成，其中溴和碘的比例很高。「在這些混合鈣鈦礦的光誘導相分離中發生的情況是，高頻光子的轟擊導致富含溴的相與富含碘的相分離，」博士後研究員和該研究的共同第一作者Hao Chen陳浩說。「這導致了缺陷的增加和整體性能的下降」。

為了克服這個問題，研究小組使用詳細的電腦模型來模擬改變晶體成分的效果。這項工作提出了兩個變化：去除有機分子，形成全有機的鈣鈦礦結構，並引入銣元素。另一位博士後研究員和共同第一作者Tong Zhu說：「引入銣元素可以抑制光誘導的相分離問題。我們的銣/銫混合無機鈣鈦礦顯示出比其他鈣鈦礦材料更好的光穩定性，包括銫基無機鈣鈦礦和廣泛使用的具有類似帶隙的有機–無機混合鈣鈦礦。」

利用這些知識，該團隊隨後設計並建造了一個具有這種成分的三結電池。他們測量其效率為24.3%，開路電壓為3.21伏。他們還將其送到國家可再生能源實驗室進行獨立認證，該實驗室測得的準穩態效率為23.3%。

「在過去，三結鈣鈦礦太陽能電池顯示的最大效率約為20%，所以這是一個很大的進步。據我們所知，這也是首次報道的三結鈣鈦礦太陽能電池的認證效率，」另一位共同領導作者、博士生Lewei Zeng說。

「以前的設計也傾向於在幾個小時內失去大量的性能。相比之下，我們的設計即使在運行420小時後仍能保持80%的初始效率—所以這在耐用性方面也是一大進步。」

該團隊表示，儘管在鈣鈦礦太陽能電池能夠在商業應用中與硅競爭之前，還需要進一步提高性能，但最新的研究表明瞭一條前進的道路。

圖片：多倫多大學

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