太陽光電技術特別報導—鈣鈦礦太陽電池於堆疊型太陽電池之應用  

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許弘儒、吳世雄、童永樑、蔡松雨/工研院綠能所

鈣鈦礦太陽電池是目前光電轉換效率提升最快的太陽電池技術,具有高能隙、低成本及易於製造等優勢。將其與目前主流的矽太陽電池結合形成PVSK/Si堆疊式太陽電池,理論光電轉換效率可達37%,可望大幅提高傳統單接面矽太陽電池的轉換效率。鈣鈦礦不但可以和矽結合使用,亦可取代矽太陽電池,開發更低成本的全鈣鈦礦多重接面太陽電池。

本文將從以下大綱,探討鈣鈦礦堆疊太陽電池的相關技術原理、研究的進程及此一新興技術未來的前景和挑戰。
‧鈣鈦礦太陽電池介紹與能隙調整
‧堆疊技術簡介及原理
‧鈣鈦礦堆疊型太陽電池介紹
 1. 鈣鈦礦/矽堆疊型太陽電池
  (1) 二接點(2T)鈣鈦礦/矽堆疊型太陽電池
  (2) 四接點(4T)鈣鈦礦/矽堆疊型太陽電池
 2. 鈣鈦礦/銅銦鎵硒(CIGS)堆疊型太陽電池
 3. 鈣鈦礦/鈣鈦礦堆疊型太陽電池
‧總結與未來展望

【內文精選】
為了突破單接面太陽電池的理論效率極限,許多研究團隊紛紛朝向堆疊型太陽電池技術進行開發。堆疊型太陽電池技術主要是利用不同能隙的吸收層材料來吸收不同波段的太陽光譜,達到減少太陽光電轉換時之能量損耗及提升元件效率的目的。第一個鈣鈦礦堆疊太陽電池於2014年10月發表,其結構為鈣鈦礦/銅鋅錫硫(CZTSSe)二接點(2 Terminal; 2T)堆疊架構,其上電池和下電池是以串聯的方式連接,而當時轉換效率為4.4%。四接點(4 Terminal; 4T)的鈣鈦礦堆疊太陽電池隨即被研發出來,其上電池和下電池的電極採獨立連接方式,下電池可為矽太陽電池或銅銦鎵硒太陽電池(CIGSe)。

堆疊技術簡介及原理
為了突破單接面太陽電池的理論效率極限,堆疊式太陽電池技術逐漸受到矚目。堆疊式太陽電池主要是利用不同能隙的材料來吸收不同能量的光子,例如利用高能隙的材料作為上電池吸收太陽光譜中的短波長光子產生較高電壓的光電流,而較長波長的光子則穿過上電池傳遞至較低能隙的底電池吸收,如圖四(a)~(b)。如此便可以更有效率的運用太陽光譜中的短波長光子,並同時減少光電轉換中的熱損耗來大幅提升太陽電池轉換效率。目前堆疊型太陽電池的設計主要可以分成兩種:二接點(2T)堆疊型太陽電池、四接點(4T)堆疊型太陽電池。

鈣鈦礦堆疊型太陽電池介紹
目前鈣鈦礦堆疊型太陽電池元件中,由於鈣鈦礦太陽電池具有較高之能隙,主要作為入光側的上電池使用,並與矽及銅銦鎵硒等下電池做堆疊。近年來窄能隙鈣鈦礦太陽電池的開發,也掀起了全鈣鈦礦堆疊太陽電池的研究。以下將介紹不同種鈣鈦礦堆疊型太陽電池之發展現況及進程。
3. 鈣鈦礦/鈣鈦礦堆疊型太陽電池
由於鈣鈦礦材料本身可以透過陽離子及鹵素離子的置換來調整能隙,且其具有低成本的優勢,所以開始有研究團隊研究鈣鈦礦電池/鈣鈦礦電池堆疊型太陽電池。全鈣鈦礦堆疊型太陽電池亦可分成4T及2T兩種堆疊方式,在4T的堆疊技術中,由於不需考慮電流匹配且元件是獨立製作,所以只需單純考量能隙匹配部分。至於2T的堆疊方式,由於需將上電池直接製作於下電池之上,所以必須考量介面的電流匹配及相關製程整合。

Chen團隊在2014年首先發表全鈣鈦礦堆疊型太陽電池。因為上下電池都是使用同樣MAPbI3系列鈣鈦礦,所以在光吸收表現不佳,影響了最後堆疊元件的效率,但其開路電壓卻可達到2 V,這也開發了一條新的應用方向。隨後,Im團隊分別製作高能隙的MAPbBr3與相對低能隙的MAPbI3,分別扮演上下電池的腳色,並透過在MAPbBr3吸收層上方塗佈P3HT或PTAA,與MAPbI3下電池的PCBM端壓合,形成類似三明治結構的2T堆疊型太陽電池,如圖十二(a)。結果顯示單獨的MAPbBr3上電池效率為7.2%,而單獨的MAPbI3下電池效率為18%,但接合後之2T堆疊元件效率只有10.8%,如圖十二(b)。雖然堆疊效率不盡理想,但提供一種更便利的三明治堆疊製程。

圖十二、(a) 2T三明治堆疊元件結構與示意圖;(b)上下電池與堆疊元件I-V圖
圖十二、(a) 2T三明治堆疊元件結構與示意圖;(b)上下電池與堆疊元件I-V圖

總結與未來展望
堆疊型太陽電池為突破單接面太陽電池效率的最佳方法。由於鈣鈦礦太陽電池的主要吸光波段為可見光區,非常適合作為堆疊型太陽電池的上電池使用,其與矽或CIGS太陽電池搭配可以補足紅外光區域內的光吸收。而鈣鈦礦也可以透過改變自身的陽離子及鹵素的摻雜比例來調整能隙,因此也有研究團隊開發鈣鈦礦/鈣鈦礦堆疊型太陽電池相關技術。圖十五顯示,在鈣鈦礦/矽堆疊型太陽電池中,以2T的堆疊方式效率可達到23.6%;而以4T的堆疊方式,效率目前超過單接面矽太陽電池26.6%的效率,來到27.2%。預計鈣鈦礦/矽堆疊型太陽電池之效率很有可能在2025年突破30%的轉換效率。而在鈣鈦礦/鈣鈦礦堆疊型太陽電池技術開發中,目前利用2T及4T的堆疊方式其效率分別已經達到18.1%及20.3%。預計全鈣鈦礦堆疊型太陽電池之效率,將在2020年前超越鈣鈦礦單一接面現有的效率紀錄,且預期在2030年前其效率將高於26%。

圖十五、鈣鈦礦堆疊型太陽電池效率演進
圖十五、鈣鈦礦堆疊型太陽電池效率演進

在市場應用的未來發展走向方面,由IDTechEx的2015~2025年鈣鈦礦太陽電池市場預測報告可以看到,堆疊型鈣鈦礦太陽電池在未來十年的產值預估有13億美元…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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