太陽能發電新進展 Perovskite 鈣鈦礦電池是什麼?有機會成為綠能發電的新技術?

太陽能是綠能發電重要的一環,目前最普及的方式,就是以矽晶所製造的太陽能發電,不過近期另一種太陽能發電技術正慢慢成長,也就是這次要聊的太陽能發電新技術 Perovskite 鈣鈦礦電池。有別於矽晶太陽能發電技術,鈣鈦礦技術有著可透光、可彎曲的特色,更容易實現塗料化,讓更多物體經過塗佈後達成發電目的。

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鈦礦材料的歷史可以追溯到 19 世紀,當時首次由俄羅斯礦物學家 Lev Perovski 發現並以他的名字命名,最早時鈣鈦礦只是一種自然存在的氧化物礦物,也就是鈣與鈦的氧化物 CaTiO3。但在 2009 年時,科學家發現有機金屬鹵化物,其結構與鈣鈦礦 ABX3 同型,並具有吸收光後分離成電子與電洞的良好效率,並產生電流,這樣的特性,就成為太陽能發電最好的材料。

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from nature.com

 

鈣鈦礦電池結構上大致可分為五層,由上而下分別為透明導電層,負責讓陽光穿透,材料通常為鍍上導電材料的玻璃或塑膠基板;第二層為電子傳輸層(ETL),這層會以二氧化鈦或是氧化錫以沉積方式塗佈於基板上,目的是傳輸鈣鈦礦層所產生之電子;第三層就是主角鈣鈦礦層,這層就是用以產生電子電洞的層別,會以蒸鍍或溶液沉積方式進行;第四層為電洞傳輸層(HTL),大多由 spiro-OMeTAD 有機小分子結構為材料;最後為金屬電極沉積,會以銀或金為材料薄膜構成。而第二層與第四層可交換順序進行製成,構成順式與逆式結構,這兩個結構各有優點,這邊就不贅述。

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在製造時,雖然看起來都需要以沉積的機台才能製作,但事實上都只需以溶液來塗佈薄膜即可,甚至主角鈣鈦礦層也只需利用紅外線照射來達成結晶即可,因此可以在不同的基板上製作,加上厚度僅有一微米,也具有透光性,也更容易製作出可撓式太陽能電池,像是背包上、手機背蓋、車身上,都可以輕鬆製作。更可在大樓玻璃帷幕上塗佈,讓室內保持光線同時進行發電。

而目前鈣鈦礦電池的發電效率,經過層疊塗佈的方式,實驗室數值已經可以提高到與矽晶電池有接近的發電效率,是相當受到期待的技術。但鈣鈦礦電池並非沒有缺點,鈣鈦礦層因為結構為配位鍵,並不如矽晶的共價鍵結構穩固,因此結構容易破壞,並不如矽晶太陽能電池耐用。另外,鈣鈦礦對於環境的溼氣也相當敏感,所以必須有更好的封裝與保護,才能維持更長的壽命。

雖然鈣鈦礦電池發展快速,因為生命週期大約只有 10 年,相較矽晶太陽能理論上可長達 30 年要短很多,所以目前絕大部分太陽能電池依然以矽晶為主流。

不過有趣的是,因為兩者吸收太陽光的波長有所差異,不容易相互影響效能,因此科學家也正在嘗試將矽晶結合鈣鈦礦,創造出發電效率更好的太陽能電池。技術方法簡單說,就是在既有的矽晶太陽能電池上,加掛透明度高的鈣鈦礦電池電池,而生命週期較短的鈣鈦礦電池製作容易,只須貼附如薄膜的電池上去即可,所以在鈣鈦礦電池生命週期結束時,可以更簡單進行更換,維持發電效率。

鈣鈦礦電池雖然還在發展初期,但其可透光性、可撓性、更疊加性、與更輕薄的特色,讓應用層面更廣,更容易製作。而台灣產業部分,因製程設備與台灣相對成熟的面板業有異曲同工之妙,對於切入這嶄新的太陽能電池技術也更為容易。鈣鈦礦電池需要時間累積技術能量,但在綠能當道之時,鈣鈦礦電池將更容易獲取資源與資金,加速開發進程。

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