單晶鈣鈦礦合成技術

 

刊登日期:2017/9/5
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目前固態鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率已經接近單晶矽太陽能電池的效率,達到了22.1%,但以目前多晶鈣鈦礦薄膜的太陽能電池系統,諸如對環境中的水氣敏感及對高溫、紫外光不夠穩定等因素,因此距離實用化仍然面臨巨大的挑戰。由於多晶鈣鈦礦薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷會造成載子的再結合,咸認為是要進一步再提高轉換效率的棘手問題。因此有學者開始將研究方向轉移至如何從源頭改善鈣鈦礦晶體的特性著手,其中一個想法就是用單晶(Single Crystal)鈣鈦礦來置換多晶鈣鈦礦薄膜,如圖三所示。研究結果證明,相較於多晶薄膜,單晶鈣鈦礦具有非常高的結晶品質、更好的光吸收範圍和更高的熱穩定性,這種大尺寸的單晶具有很大的商業應用價值。

圖三、固態鈣鈦礦太陽電池之(a)多晶薄膜;(b)單晶橫截面結構示意圖
圖三、固態鈣鈦礦太陽電池之(a)多晶薄膜;(b)單晶橫截面結構示意圖

單晶與多晶鈣鈦礦之特性
由於晶體的完整性和較少的缺陷,單晶鈣鈦礦太陽能電池將具有更佳的穩定性,以下將多晶鈣鈦礦薄膜與單晶鈣鈦礦的光電性能作詳細的比較。
1. 吸光特性
根據Q. Dong等人的研究發現,單晶甲基胺碘鈣鈦礦(MAPbI3 Single Crystal; MSC)的Band Gap比一般多晶甲基胺碘鈣鈦礦(MAPbI3 Polycrystalline; MPC)為窄,代表MSC能吸收較長波長,也就是能量較低的光,如圖四所示。因此MSC吸收波長範圍較MPC來的寬,這對提高太陽能電池的效率有正面的效果。另外單晶的光致發光峰值(Photoluminescence Peak)比較窄,且有藍移(Blue Shift)的現象,代表其缺陷態密度比較低。

單晶鈣鈦礦之合成方法
3. 升溫析晶法
文獻中觀察到MAPbI3前驅物在GBL中溶解度出現反轉的現象(圖十一)。溫度在60˚C時,前驅物溶解度與溫度成正比,但超過60˚C之後溶解度與溫度成反比。這種異常的現象我們可以利用升高溫度使溶液達到過飽和狀態而析晶,稱為升溫析晶法(Inverse Temperature Crystallization; ITC),其步驟如圖十二所示。圖十二中的製程步驟與參數為本研究以文獻中的方法為模板進一步改良而成的,因為GBL是一種易潮解的液體,為了排除水對於長晶過程的影響,先將GBL加熱至120˚C/10分鐘,將大部分的水蒸發,再加入莫爾數1:1的甲基碘化銨與碘化鉛,並將溫度控制在70˚C讓其溶解,碘化鉛完全分散後再用油浴加熱至100˚C,並放入事先準備好晶種,再緩慢加溫至125~130˚C並且固定,隨著GBL緩慢的蒸發,溶液會維持在飽和的狀態,並且持續長晶。升溫析晶法最大的優點在於長晶速度快(約1~2 cm/day),利於量產,而且前驅物也可以回收利用。

圖十二、升溫析晶法流程
圖十二、升溫析晶法流程

單晶鈣鈦礦之未來應用
上述三種單晶鈣鈦礦之合成方法,一般認為升溫析晶法是目前較適合作為量產單晶鈣鈦礦的方法,而學者們也開始思考其應用面,如果要將單晶鈣鈦礦作為鈣鈦礦太陽能電池中的吸光層,必須將其切削成薄片,如同將矽晶切片一般。目前工業上最常用於矽晶切片的方法為「Slicing Ingots」,也就是將矽晶放置在多條等距的切割線上,再藉由滾筒的轉動帶動切割,如圖十四所示,但此方法會造成大量原料的損失(約50%),以及需要…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:鄧克頎、衛子健 / 國立清華大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」369期,更多資料請見下方附檔。


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