鈣鈦礦太陽電池發展趨勢與量產契機

 

刊登日期:2015/9/5
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2012年Michael Grätzel和Nam-Gyu Park兩位教授發表9.7%轉換效率之鈣鈦礦太陽電池,經過短短三年時間,在2015年的MRS Spring Meeting上,Michael Grätzel教授即透露該研究室目前鈣鈦礦電池的最高效率已經達到20.5%,同時Korea Research Institute of Chemical Technology(KRICT)也發表達到20.2%之效率,雙雙突破20%大關,相較於其他種類之太陽電池,鈣鈦礦太陽電池的效率發展顯得非常快速。

鈣鈦礦太陽電池(Perovskite Solar Cells; PSC) 具有關鍵屬性,包括高光吸收係數、低非輻射性載子複合率、高載子遷移率以及可調變能隙等,電池結構主要為導電玻璃基板/電子傳輸層/鈣鈦礦吸收層/電洞傳輸層/金屬電極,相較於矽晶太陽電池,其製程簡易;除了電極製作之外不需使用到真空設備,可以濕式法在低溫(<100℃)製備元件,製程設備成本低廉,且具備應用於可撓性元件之優勢。

鈣鈦礦主動層一般簡稱PVSK (Perovskite),目前仍有關鍵缺陷存在,其雖為結晶結構,但有機-無機-鹵化物混和形式對溫度耐受性不佳,僅能耐受約150°C以下之溫度,並且隨時間增加會有分解趨勢。此外,目前常被使用的電洞傳輸層Spiro-MeOTAD等有機材料昂貴且穩定性不佳,元件對於暴露在水氣下易使效能迅速退化,使元件無法長效使用,相較於矽晶太陽電池可以使用超過二十年,元件壽命是PSC一大劣勢,因此除了提高效率,提升PSC壽命同時降低成本是眾多研究單位的努力目標。
 


圖一、PSC結構分類

PVSK主動層之研究
在高效率電池演進中影響最大的是鈣鈦礦主動層,有許多透過改變PVSK之有機或是鹵素成分方面的研究正在進行。在有機成分調控部分,主要研究均是使用乙胺、甲胺或是其混合的有機系統製作PVSK,主要原因是可以降低其能隙提昇光利用波段。

無機電洞傳輸層之研究
電子電洞傳輸層之研究在低成本的需求下也受到矚目,根據表一,可以看到常用之電洞傳輸層Spiro-MeOTAD與PTAA價格高昂,因此低成本無機HTM材料取代高成本有機HTM是非常重要之課題。Michael Gratzel和Seigo Ito之合作團隊使用CuSCN為HTM,其成本僅為有機材料之1%以下,透過與TiO2之搭配,以此完全使用無機HTM、ETM之電池結構轉換效率最高可達12.4%,此技術困難點在於CuSCN是直接成膜在PVSK之上。

由於PVSK耐化性與耐溫性非常差,造成在製程與材料使用上均有諸多限制,CuSCN成膜過程仍會使PVSK溶解,將造成PVSK破洞而產生短路,因此在此結構上通常必須使用Mesoporous TiO2與較厚的PVSK層,並將CuSCN溶解在二丙硫醚(Propyl Sulfide),在65˚C溫度下刮塗成膜並且迅速乾燥,藉此減少對PVSK的破壞,後續不需要高溫退火,因此PVSK仍能穩定運作。此種低成本結構為PSC量產化帶來更多機會,但是在模組驗證方面尚無相關研究,因此耐久性與穩定性是目前類似研究需要延伸探討之課題 ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

表一、PSC材料成本(不考慮製程時材料利用率)

作者:游勝閔、魏松煙、孫文檠/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」345期,更多資料請見下方附檔。


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