2016年7月29日 星期五

藏在鈣鈦礦晶粒中的秘密可以促進太陽能電池的效率

Secret Hidden in Grains of Perovskite Could Boost Solar Cell Efficiency

By Dexter Johnson
Posted 6 Jul 2016 | 20:21 GMT
Image: Berkeley Lab
作為一個在光電產業中對於矽的潛在替代品,鈣鈦礦晶體的崛起在過去十年中令人印象深刻,其轉換效率在這段時間內從3.8%提高至22.1%。然而漸漸有一種模糊的感覺,這種上升似乎已進入後期並開始逐漸消失,主要是因為當由鈣鈦礦製成的太陽能電池大於1平方公分,其最佳轉換效率一直在15.6%附近。這個數字近來已經在Michael Grätzel的努力下得到平均19.6%的改善。然而,鈣鈦礦的光明前景在一些人眼中已經逐漸黯淡。

現在,研究人員在能源部的Lawrence Berkeley國家實驗室(Berkeley Lab)部門可能已經發現了一些秘密隱藏在鈣鈦礦晶體中,可以提高這種材料的光電轉換效率高達31%。

自然能源雜誌(Nature Energy)中對此研究的描述,研究人員用原子力顯微鏡凝視這些晶體的奈米結構。在這樣的尺度下,他們發現每個顆粒的每顆晶體的每個面,他們的轉換效率表現都不同。晶體的某些面可能達到31%的理論轉化率極限,且他們會與轉換效率差的面相鄰。

鈣鈦礦的每個面都可當作一個單獨的太陽能電池,而它們全部都以並聯連接。在這種安排下,電流流向那些性能最差的電池,就導致太陽能電池的整體性能下降。

研究者此時偶然發現了使晶體所有面的轉換效率達到目標31%的想法。

「如果材料可以在只有非常有效率的面會發展的條件下被合成,那麼我們應可以看到鈣鈦礦型太陽能電池的效率大幅上升,可能接近31%,」Sibel Leblebici,Berkeley Lab(柏克萊實驗室)的Molecular Foundry(分子鑄造場)中一位博士後研究員在一份新聞稿中說。

研究者以10奈米的分辨率映射鈣鈦礦太陽能電池的表面,同時也映射光電流的產生和開路電壓等特性,這些都涉及到轉換效率。

映射顯示,就光電流的產生來說,每個面之間有多達一個數量級的差別,而開路電壓則有0.6伏特的差別。

讓研究人員的真正令人驚訝的是,他們發現具有高光電流產生的面也具有高的開路電壓,而低光電流產生的那些面同時擁有低開路電壓。這意味著鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率有面依賴性(facet-dependent)。

「這些結果打開了大門,以探索新的方式控制材料面的發展,來極大地提高效率,」Francesca Toma,研究人員之一,在一份新聞稿中說。

雖然研究人員尚未作出這個優化後鈣鈦礦,但他們已經開發出電腦模型,演示作為一個LED使用時,面也應該會影響光的發出。

來源:http://spectrum.ieee.org/nanoclast/green-tech/solar/secret-hidden-in-grains-of-perovskite-could-boost-its-efficiency