本期文章

鈣鈦礦--太陽光電穿新衣

撰文/希瓦倫(Varun Sivaram)、史川克斯(Samuel D. Stranks)、史奈斯(Henry J. Snaith)翻譯/甘錫安    

2011年,還是研究生的李秀明(Michael Lee),在夜幕低垂時坐在日本一家燈光昏暗的酒吧裡,匆忙在啤酒杯墊上潦草寫下一連串化學成份,深怕不久之後就忘記了。當天稍早,日本桐蔭橫濱大學的科學家大方分享了開創性的太陽能電池配方,這個配方捨棄常見的矽,改用稱為「鈣鈦礦」(perovskite,CaTiO3,後來泛指具有ABX3晶體結構的物質)的新材料。這種新型太陽能電池把陽光轉換成電能的效率只有3.8%,因此並未受到注意。但這個配方為李秀明帶來靈感,他在日本完成了資料蒐集任務後,回到我們當時工作的英國牛津大學克萊蘭登實驗室,對該配方進行一連串調整。這次修改產生了第一款光電轉換效率超過10%的鈣鈦礦太陽能電池。李秀明的發明引發了潔淨能源熱潮,與石油不相上下,促使全世界的研究人員爭相提升鈣鈦礦的光電轉換效率。

目前的紀錄是韓國化學技術研究所於2014年11月所締造的20.1%,在短短三年之間,效率提升到五倍之多。相較之下,最先進的矽太陽能電池開發工作持續進行數十年,效率一直停留在25%左右,我們和其他鈣鈦礦研究人員一直緊盯這個目標。此外,我們也準備透過史奈斯(本文作者之一)共同創立的牛津光電(Oxford Photovoltaics)這類新創公司,把鈣鈦礦產品首次推上商業市場。

鈣鈦礦有好幾項受矚目的理由,它的成份來源相當充沛,研究人員可輕易把這些成份結合並製造出具有高度結晶化結構的薄膜。這個過程可在低溫下進行,而且成本低廉;相較之下,在矽晶圓中,這類結構的製程溫度相當高,而且成本高昂。鈣鈦礦薄膜既薄又有彈性、還可捲起,不像矽晶圓又厚又硬,未來將可由特殊印刷機製造出重量極輕、可撓曲,甚至是具有各種色彩的超薄太陽能板和鍍膜。

然而如果要挑戰矽的主流地位,鈣鈦礦太陽能電池必須克服幾項重大障礙。首先,目前原型產品的尺寸僅和指甲相仿,如果要與矽太陽能電池競爭,研究人員必須想辦法使其加大。此外還必須大幅提升鈣鈦礦太陽能電池的安全性和長期穩定性,這是個相當艱鉅的挑戰。


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