美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)、羅倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)的研究人員採用能夠噴塗在軟性表面的2層不同鈣鈦礦材料,據稱可實現21.7%以及26%峰值的轉換效率。

加州大學柏克萊分校物理系教授Alex Zettl表示,「我們已經為不同參數的鈣鈦礦太陽能電池創造了新記錄,甚至包括其轉換效率更高於其他的鈣鈦礦電池—— 21.7%,以我們才剛開始為其實現最佳化來看,這確實是一個驚人的數字。」Alex Zettl同時也是柏克萊實驗室與Kavli能源奈米科學研究所的資深研究員。

過去有許多研究嘗試結合兩種鈣鈦礦材料,卻因為不同材料影響而降低其電子性能。「而這是在一種相對上更易於控制也易於操縱的系統中,實現分級的能隙太陽能電池,」Zettl指出,「其優點在於它結合了兩種相當有價值的特性:一種已知的途徑¬¬¬¬——分級能隙;以及一種相對較新但具有高效率的已知材料——鈣鈦礦。在此研究中,我們從紅外線到整個可見光譜範圍掃描整個太陽能光譜,由於最大化太陽能光譜的覆蓋範圍,根據理論上的效率計算,應該比單能隙太陽能電池更易於達到更高效率。」

結合兩種材料使其成為串聯太陽能電池的關鍵在於單六方氮化硼的原子厚層,可分離出甲基和氨的有機分子,一個具有錫和碘,另一個則是摻雜溴的鉛和碘。前者經調諧成為可優先吸收1eV能量的紅外光,後者則吸收2eV的黃色光子。Zettl解釋,將鈣鈦礦/氮化硼夾層置於石墨烯的輕質氣體凝膠上,以促進細晶鈣鈦礦晶體的生長,作為水份阻障層,同時有助於透過太陽能電池穩定電荷傳輸,接著則在底部覆蓋金電極,並在頂部用覆蓋氮化鎵層,收集在電池內產生的電子。該薄膜太陽能電池的主動層厚度大約為400nm。

20161121 perovskite NT01P1 新式太陽能電池的橫切面顯示2種鈣鈦礦層(米色和紅色),中間由氮化硼單原子層和較厚的石墨烯氣體凝膠(深灰色)加以分隔,以避免水份破壞鈣鈦礦。當光線到達太陽能電池時,氮化鎵(藍色)與金(黃色)電極引導電子產生。

「我們的架構有點像打造一條高品質的汽車道路,」Zettl說。「石墨烯氣體凝膠就像堅固的岩石底層或地基,而兩層鈣鈦礦就像沉積在其上細粒礫石與砂層,氮化硼層則是礫石和沙子之間的薄層,其作用在於防止沙子擴散或混合太多更細粒的礫石。氮化鎵層則是頂部的瀝青層。」

「目前業界已經有這種易於製造、捲對捲太陽能電池技術的想法了,只需將塑料拉開成捲、噴塗在太陽能材料上,然後往回捲即可。透過這種新材料,我們將可為這種高性能的鈣鈦礦太陽電池實現捲對捲的大量生產;它真的幾乎就像噴漆一樣。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:High efficiency perovskite solar cells head for roll-to-roll manufacturing,by Nick Flaherty)