使用鈣鈦礦材料的太陽能電池成本低且易於製造,將光子轉換為電的效率提升速度至今也一直比其他任何材料更快,從2009年時的3%轉換效率開始,至今已迅速提高到22%了。

美國勞倫斯柏克萊國實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的分子鑄造所(Molecular Foundry)以及人工光合作用聯合研究中心(Joint Center for Artificial Photosynthesis)的研究團隊利用鈣鈦礦太陽能電池表面的原子力顯微鏡影像,顯示經由控制晶粒邊界實現更大轉換效率的新途徑。

從實驗室的影像來看,黑色線條標示出每個晶粒的輪廓、低效能晶面部份以紅色標示,綠色晶面部份代表高性能。如果能夠生長材料,以便發展出更多高性能晶面部份,那麼就能在效能方面取得大幅進展。

20160707 perovskite NT01P1 透過鈣鈦礦太陽能電池粒狀表面的顯微鏡影像,揭露可實現更高效率的全新路徑。黑線標示單個晶粒的輪廓、低效能晶面部份以紅色標示,綠色晶面代表高性能。如果能夠生長材料,發展出更多高性能的晶面,那麼就能在效能方面取得大幅進展。(來源:Berkeley Lab)

光傳導原子力顯微鏡讓研究人員能夠在太陽能電池的主動層映射兩種有關的光電效率特性——顯示由長約200nm晶粒組成的崎嶇不平表面,以及在各個晶粒間能源轉換效率的巨大差異。研究人員發現,低效晶面與高效晶面毗鄰,有些晶面甚至達到材料能效轉換限制的理論值——31%。

「如果材料可以合成,使其僅發展極具效率的晶面,那麼我們就能看到鈣鈦礦太陽能電池的效率大幅進展,甚至可能達到31%,」Molecular Foundry博士後研究員Sibel Leblebici表示。

研究團隊使用甲基氨基碘化鉛(Methylammonium Lead Iodide,CH3NH3PbI3)打造鈣鈦礦太陽能電池,而且也製造出無電極層的第二組半電池。研究人員們在1平方公分的薄膜上封裝8個這種電池,並於Molecular Foundry進行分析——以10nm解析度映射電池表面拓墣。研究人員們並分析與電池光電轉換效率有關的兩種特性:光電電流產生,以及開路電壓。

結果顯示相同晶粒的不同晶面之間,在光電流產生方面存在10倍差異,而在開路電壓上則有0.6V的不同。此外,具有較高的光電流產生的晶面通常具有較高的開路電壓,而低光電流產生的晶面開路電壓也較低。

實際上,這些晶面的表現就像數十億個微型的太陽能電池,全部都以並聯方式連接。如同科學家所發現的,有些電池運作良好,有的卻很糟糕。在這種情況下,電流朝向故障的電池流去,降低了材料的整體性能。但是,如果該材料可以被最佳化,只讓高效率的晶面與電極連接,可望減少因低效晶面造成的損壞。

「這意味著,以宏觀的規模來看,材料可能達到接近31%轉換效率極限的理論值,」人工光合作用聯合研究中心科學家Ian Sharp表示。

這一發現不僅適用於太陽能電池,描述實驗結果的理論模型可用於預測晶面,從而在使用LED時影響光的發射。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Perovskite solar cell discovery promises dramatic efficiency boost ,by Nick Flaherty)