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中大發現導致鈣鈦礦太陽能電池退化的關鍵機制
有助研發下一代長壽電池
- 鈣鈦礦太陽能電池性能優於傳統矽太陽能電池，但因壽命短窒礙其商業化進程
- 中大研究人員發現導致鈣鈦礦半導體穩定性差的關鍵機制，可望針對性地改善其使用壽命
香港中文大學（中大）電子工程學系校長特聘副教授（Vice-Chancellor Associate Professor）Martin Stolterfoht教授領導的一項合作研究，發現了影響鈣鈦礦太陽能電池使用壽命的關鍵機制。研究結果已於《自然能源》雜誌上發表，為改善下一代太陽能電池壽命的新策略奠定了基礎。
鈣鈦礦太陽能電池的壽命是商業化最重要的障礙
光伏太陽能是最廣泛使用的再生能源之一。現時太陽能電池市場以傳統矽基電池為主導，佔市場份額逾95%。相比矽基電池，基於鈣鈦礦的太陽能電池性能更佳，製造成本更便宜，碳足跡（CO2/kWh，即製造太陽能電池每千瓦小時所產生的二氧化碳量）也更低，將兩個鈣鈦礦太陽能電池疊為一體的串聯太陽能電池更被認為是下一代的主流技術。然而，鈣鈦礦太陽能電池的壽命只有短短幾年，比矽基太陽能電池落後約一個量級，這是實現鈣鈦礦太陽能電池大規模商業化的一個最重要的技術障礙。
過去十年來，科學家一直就導致鈣鈦礦太陽能電池退化的機制進行了大量研究，冀能針對有關機制改善電池的使用壽命。以往普遍認為導致鈣鈦礦穩定性欠佳的主要原因包括電子缺陷、電極氧化、鈣鈦礦混合電子/離子半導體的性質，或在濕氣和氧氣下容易發生化學分解。
離子誘導場篩選在鈣鈦礦太陽能電池的運作穩定性中扮演主導角色
Stolterfoht教授表示：「我們最近的研究發現，設備長時間運行造成的損耗並不是導致鈣鈦礦太陽能電池退化的決定性因素。鈣鈦礦半導體受到外來刺激時（如曝露在光照之下），會產生愈來愈多的移動離子。這些離子會屏蔽鈣鈦礦中的內置電場，反過來降低了光生電荷的提取效率，從而減少太陽能電池產生的電流。研究結果顯示，離子場屏蔽是鈣鈦礦太陽能電池退化的幕後黑手。
這項結果令研究人員感到驚訝，他們從未想到此現象與鈣鈦礦太陽能電池退化有關。是次發現可望延長鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，使其保證壽命接近25年的工業標準。Stolterfoht教授續道：「了解導致退化的因素將使我們能夠制定新的策略來延長電池壽命，並加快開發穩定性更佳的鈣鈦礦串聯電池。例如，我們可以通過檢測到的離子特性，準確預測電池的使用壽命，那就省卻進行耗時數周至數月的穩定性測試，加快開發長壽鈣鈦礦太陽能電池的速度。」
設備的橫截面以及離子累積如何導致電荷提取損失的圖示，隨著時間的推移產生更多離子，電荷提取損失會導致性能增加和退化損失。
Martin Stolterfoht教授。Image credit: Jonas Walter
Jarla Thiesbrummel博士在鈣鈦礦實驗室進行測量。Image credit: Sahil Shah
Sahil Shah在鈣鈦礦實驗室進行測量。Image credit: Steffen Richter
