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内容

为何钙钛矿/硅晶叠层电池太阳能电池是现今再生能源技术的明日之星

内容

发展钙钛矿/硅晶叠层太阳能电池技术最有力的工具

1. 再生能源的重要性

2. 钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池的优势与发展潜力

3. 支持钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池技术发展最有力的工具

1. 再生能源的重要性

       随着全球人口持续增加,且大众对于科技商品的依赖不断提升,人类对于能源的需求有增无减。依据世界能源理事会World Energy Council (https://www.worldenergy.org/)的预估,公元2060年,人类对于电力的需求将翻倍,若以石化燃料(Fossil Fuel)发电来供应,我们除了要面对燃料储量枯竭的问题,燃烧石化燃料对于环境的污染所造成的温室效应,更将造成人类无法承受的生存浩劫。

 

    因此,使用再生能源(Renewable Energy)就成为唯一的解决方案。再生能源的种类很多,包括:生质燃料﹅地热﹅潮汐能﹅水力发电﹅风能﹅氢燃料与太阳能…等等。在考虑能源供应的充沛性﹅稳定性以及转换效率等重要因素后,太阳能脱颖而出,成为全球最为倚重的再生能源项目之一。

    太阳能的应用相当广泛,归纳起来主要有三种运作模式:

  • 『光电转换』:利用太阳能电池进行发电。
  • 『光催化』:利用触媒进行光催化制氢、二氧化碳还原、有机污染物降解、生质能转化等。
  • 『光热能』:利用太阳光的热能制备热水,盐类蓄热﹅进行海水淡化等。
 

    太阳能相当充沛。地球在上层大气传入的太阳辐射(日照)接收了174 petawatts (PW)。大约有30%的太阳能被反射回太空,而其余的太阳能则被云层、海洋和陆地吸收。在地球表面的太阳能光谱大多分布在一小部分近紫外线,全部可见光,和近红外线的光谱范围。地球平均接受的光照能量大约为1.7 × 1017瓦特,其能量的1%相当于能够提供全球74亿人口两百天用量,因此,太阳能可视为无穷尽的资源。(参考数据:维基百科 https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw;世界材料网:  https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=32994 )

 

 

2. 钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池的优势与发展潜力

    一直以来,太阳能电池的材料都以最常使用的半导体材料 – 硅晶为主,然而自 2009 年开始,一种特殊的有机金属卤化物材料「钙钛矿」引起了科学家的注意。「钙钛矿」原本是指钙与钛的氧化物 CaTiO3 (结构可表示为 ABX3),因为有机金属卤化物的结构与钙钛矿 ABX3 同类型,所以统称为钙钛矿。太阳能电池用的钙钛矿,吸收光的效率很高,吸收光子后,可以很快地分离成电子与电洞,传送到电极而产生电流。这样的高效率让科学家想到,何不用钙钛矿来制作太阳能电池呢?( 参考数据:泛科学 https://pansci.asia/archives/323726 )

    以钙钛矿制作太阳能电池具有哪些优势呢?

  • 产制程简化:以硅晶做为材料时,为了减低晶格里的缺陷数量,必须经过约 900℃ 的高温长时间处理,然后再以半导体高真空高温制程制作成二极管太阳能电池,工序繁琐严苛。但钙钛矿太阳能电池是以溶液涂布薄膜的形式来制作,所以不需这么高温,也不需要真空环境,只要在一般环境里就可以制作。
  • 能量转换效率高:钙钛矿太阳能电池的理论转换效率>40%,目前实验室已产出的钙钛矿单独组件,其转换效率已达成25%,钙钛矿/硅晶迭层电池则已高达30%。(参考数据:台湾钙钛矿科技 https://www.tw-perovskite.com/3rdgenerationsolarcells)

    当然,钙钛矿太阳能电池也非完美无缺,目前最大的缺点就是电池寿命远不如硅晶太阳能电池。一般而言,硅晶太阳能电池的寿命可达30年,但钙钛矿太阳能电池的寿命大约只有10年。

    为了提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与寿命,许多科学家相继投入研究。除了透过适当的材料参杂(Doping)来改善电池内部的电荷传输机理,亦透过创新的电池结构设计,成功提高太阳能电池的整体光电转换效率,其中,钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池即为代表性的产物。

    台湾大学林唯芳教授带领的团队,就是从事钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池研究的佼佼者。林教授团队将透明的钙钛矿电池层,贴在硅晶太阳能电池的表面,形成迭层结构。当太阳光照射此迭层电池时,上层的钙钛矿材料吸收较短波长的太阳光,进行光电转换;较长波长的太阳光则穿透上层电池,到达下层的硅晶太阳能电池,这也正好是硅晶太阳能电池光电转换效率最高的波段。(请见图一)

钙钛矿-硅晶太阳能迭层电池, IPCE

图1. 钙钛矿太阳能电池与硅晶太阳能电池迭层,可以增加光电转换效率。(参考数据:泛科学 https://pansci.asia/archives/323726)

3. 支持钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池技术发展最有力的工具

 

      从众多顶刊发表的研究报告显示,Voc-loss开路电压损耗分析(以下简称Voc-loss),是现今最多研究者采用,藉以持续突破钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cell, PSC)效率极限,最有效的方法。

Perovskite solar cell, Voc-loss analysis

图2近年研究钙钛矿太阳能电池效率改善,采用Voc损耗分析发表论文数的统计图

 

图二为钙钛矿太阳能电池领域关于Voc损耗分析相关的SCI论文发表数统计。由趋势可见,自2015年开始开路电压Voc损耗研究逐渐受到关注,呈线性增加。虽然在2019~2020年,论文数因为Covid-19疫情有一个停滞期,但是在2021年有一个数量倍增的论文数增幅。而统计到2022年5月的SCI论文发表数,已经达到2021年全年度的水平。预估2022年的论文数相较于2021年,也会有倍增的论文数成长。

 

    如前所述,归纳许多杰出科学家针对钙钛矿太阳能电池Voc损耗分析的研究成果,在结构上,多数关注的重点在于钙钛矿吸收体和电荷传输层之间的接口,若能进行精准的定量分析,确定其非辐射复合的起源,将对于持续突破钙钛矿太阳能电池效率极限,带来极大的帮助。

 

  基于上述需求,有两件事自然成为钙钛矿研究领域最在意的项目:(1)如何做到精准量测?(2)如何能利用量测数据快速计算并获得热力学损耗(ΔE1)﹅辐射复合损耗(ΔE2) & 非辐射复合损耗(ΔE3)的分析结果?这也是此研究领域普遍面临的痛点。

 

  光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统 (Enlitech REPS) 是一套完整的系统,可以帮助科学家测量、计算和分析工作中的太阳能电池中的Voc-loss,并为下一步的工艺改进提供思路。REPS不仅可以精准检测极低的EL-EQE信号(低至 10-5 %,即 7 个数量级),还可以计算热力学Voc loss、辐射复合 Voc loss和非辐射复合 Voc loss (通过其软件SQ-VLA)。此外,它还可以在一个柱状图中分析不同类型器件之间的 ΔV1、ΔV2和ΔV3损耗。快速提供研究人员有效的测试数据与分析结果,除了可以大幅节省研究人员的时间,还可避免人为运算所导致的错误。

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图3. 光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统 (Enlitech REPS)

光焱科技、Enlitech、REPS﹅Journal Publication

图4. 采用光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统(REPS)针对钙钛矿太阳能电池进行损耗分析改善,系统产出的研究成果可以无缝接轨快速发表于期刊。

        对于PERC、HJT、TOP-Con 等高效硅晶太阳能电池转换效率的研究,自2015年起,将研究重心放在损耗分析已成显学。转换效率损失可归因于三个因素,包括短路电流密度 (Jsc)、开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF) 损失。光焱科技的 QE-RX 不仅可以测量  PV-EQE、反射率和 PV-IQE 数据,还可以结合分析软件 SQ-JVFLA 分析 Jsc、Voc 和 FF 损失。 Enlitech 在 QE-RX 中集成了三种不同的测试功能,并开发了 SQ-JVFLA 软件,帮助用户使用 Shockley-Queisser 热极限理论分析三种不同的损耗。 QE-RX 是您提升硅晶太阳能电池光伏效率的最佳合作伙伴。

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图五 光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统

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