近紅外光也能發電,「上轉換型鈣鈦礦太陽電池」效率突破16%

 

刊登日期:2025/12/15
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早稻田大學與桐蔭橫濱大學組成的研究團隊開發了一項可有效利用近紅外光的「上轉換型(Upconversion)鈣鈦礦太陽電池」。此電池在維持接近1.2 V開放電壓的同時,成功獲得紅外光感度,並達成了16%以上的能源轉換效率。鈣鈦礦太陽電池以高轉換效率與低製造成本為特點,可望成為次世代太陽電池技術而受關注,目前其轉換效率已突破26%。然而,目前能發電的主要仍為可見光區域,而太陽光中近紅外光占約一半能量,卻一直未獲得有效利用。
 
為了活用此部分光能,研究界曾嘗試使用錫系鈣鈦礦太陽電池,但品質不如鉛系材料,輸出電壓低於0.9 V,導致轉換效率明顯下降。另一方面,雖然「上轉換技術」已被提出,但以往使用的稀土類材料對光的吸收能力極弱,在自然光照環境下難以實用化。為克服這些問題,研究團隊開發出結合有機色素的稀土類上轉換奈米粒子。具體而言,其使用能強烈吸收近紅外光的有機色素「靛氰綠(Indocyanine Green; ICG)」,並將此分子固定於含稀土離子的奈米粒子表面。此結構促使粒子能在弱近紅外光照射下發出可見光,顯著提升光能轉換效率。
 
此外,研究團隊在奈米粒子表面包覆一層鈣鈦礦(CsPbI₃),藉由此界面處理可同時抑制能量損失並改善與CsPbI₃層的親和性,形成高效能的光能轉換界面。當將這種改良型上轉換奈米粒子導入CsPbI₃太陽電池後,與既有元件相比,光電流密度顯著提升。研究團隊指出,由此可證明近紅外光已被轉換成可見光,進而被鈣鈦礦層吸收並轉換為電能。在分光光電轉換效率(IPCE)測試中,也確實觀察到在近紅外光區域的電流響應。
另一方面,研究團隊也指出達到實用化仍需解決若干課題,包括耐久性的長期驗證、鈣鈦礦材料穩定性提升、去鉛化(鉛替代材料)等。

資料來源: https://www.waseda.jp/inst/research/news/82656
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