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鈣鈦礦型光伏板有望藉「鏡子」大增轉化率

【明報專訊】過去數十年,太陽能光伏板主要都是以晶體矽來製造,尤其是以單晶矽(單晶硅)製造的光電效應轉化率(Conversion Rate)最高。

不過,以鈣鈦礦型材料(Perovskite)*製造的太陽能光伏板正極速冒起,除了製造過程較為環保、材料和生產成本較低之外,其轉化率亦已大幅追近單晶矽光伏板。最近,更有大學研究出一種簡單的改良工藝,就可望將鈣鈦礦型光伏板的轉化率大幅提升。

用高反射性基板再吸收太陽光

美國紐約羅徹斯特大學(University of Rochester)光學教授郭春雷(Guo Chun Lei)領導的研究團隊最新發現,毋須調整現時的鈣鈦礦型材料的配方,只需在其基板材料上下功夫,棄用傳統的玻璃基板,改為使用以銀製成的基板,或者是由銀層和氧化鋁層等交替組成的基板,就可以令其轉化率出現戲劇性的提升。

太陽能光伏板是一種可以將太陽光轉變為直流電的半導體器件,其發電原理稱為「光電效應」。簡單來說,當太陽光照射光伏板,太陽光中的光子撞擊光伏板之後,其能量會激發光伏板材料內的電子從原子分離出來,成為自由電子,並以相同的方向流動以產生電流。

但很多時,電子短暫脫離之後,就會被原子拉回,回落到遺留的電洞中,出現電子和電洞成對消失的情形。這現象稱為「電子復合」(Electron Recombination),會令總電流降低,即是令光伏板的轉化率降低。

羅徹斯特大學的團隊發現,只要改為使用以銀製成或者是由銀層和氧化鋁層等交替組成的高反射性基板,將已經通過鈣鈦礦型晶體的太陽光反射回來,再給鈣鈦礦型晶體另一個吸收太陽光的機會,就可以大大減少「電子復合」現象,從而提高鈣鈦礦型光伏板的轉化率。

根據羅徹斯特大學團隊發表的研究,這個方法的成本效益極其理想,而在理論上,最多可以將鈣鈦礦型光伏板的轉化率提高2.5倍,堪稱「小改變、大改善」。但當然,這是指個別的鈣鈦礦型材料,而非所有鈣鈦礦型材料。而且,實際上應該還有其他方面的限制。

但很多行內工程師都認為,借助這種高反射性基板,以及串聯式光伏板(Tandem Photovoltaic)設計(即是一片光伏板由多個吸收層組成,每個吸收層的材料都可以吸收某個波段的光線的能量來發生光電效應),鈣鈦礦型光伏板的轉化率未來將有望提升到40%至45%。

作為參考,現時單層鈣鈦礦光伏板在實驗室的轉化率最高大約是25.7%。2021年10月,韓國國立蔚山科學技術研究院(Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST),在實驗室研發出轉化率達到25.7%的單層鈣鈦礦型光伏板。

行內人預測,假以時日,商用鈣鈦礦型光伏板未來的成本將可以大幅下降至每瓦0.1美元,大約只是現時商用晶體矽光伏板的10%。

轉化率未來有望升至40%

只不過,不論是羅徹斯特大學,還是其他行內人,現時都未能提供,商用鈣鈦礦型光伏板何時才能達到40%轉化率和成本每瓦0.1美元這些指標。

其實,短期內,鈣鈦礦型光伏板的最大缺點和普及障礙,仍然是在效率衰退得快和壽命太短方面。

據悉,早期的鈣鈦礦型光伏板在2009至2012年間出現,只能連續使用幾分鐘。到2017年,最高紀錄是在室溫和連續照明下工作了一年。然而,相對於晶體矽太陽能光伏板的壽命動輒長達20至25年,這壽命仍然算很短。

直到2022年6月,美國普林斯頓大學工程學院的研究人員才開發出第一款具有商業可行性壽命的鈣鈦礦型光伏板。

據報道,研究人員根據實驗結果推斷,該款鈣鈦礦型光伏板可以在平均溫度攝氏35度和連續照明至少5年的實驗室環境內,效率維持在其峰值的80%以上。若使用標準的轉換指標,這相當於在新澤西州普林斯頓這樣的地區進行30年的戶外操作云云。

*鈣鈦礦型材料(Perovskite),是泛指擁有類似鈦酸鈣(CaTiO3)結構的金屬鹵化合物(即是化學方程式為ABX3,其中A和B代表陽離子,X是與兩者鍵合的陰離子),包括:CaTiO3、BiFeO3、三碘合鉛酸銫(CsPbI3)、三碘合鉛酸甲基銨(MAPbI3)、三碘合鉛酸甲脒(FAPbI3)等。

明報記者 薛偉傑

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