为钙钛矿电池寻出路 串叠型电池与钛金属是潜在良方

       美国布朗大学与内布拉斯加大学林肯分校（UNL）组成的团队也致力于提升钙钛矿电池的性能，更找到取代有毒物质──“铅”的材料。


       做为最受欢迎的再生能源产业，太阳能领域竞争非常激烈，目前市占率最高的太阳能电池为多晶硅与单晶硅等硅晶电池，但长江后浪推前浪，新兴的钙钛矿电池正虎视眈眈盯着市占第一的宝座。美国布朗大学与内布拉斯加大学林肯分校（UNL）组成的团队也致力于提升钙钛矿电池的性能，更找到取代有毒物质──“铅”的材料。



       钙钛矿电池具有便宜、制程容易的优点，光电转换效率也从2009年的3.81%，提升至可与硅晶电池比拟的22%，近期的研究更提升到26%，然而钙钛矿电池中的铅物质具有毒性，可能会对生物与环境产生危害，因此化学材料学家纷纷寻找如何替代铅或是解毒的方式。


       布朗大学电机教授Nitin Padture表示，“目前钙钛矿的研究重点之一为寻找可替代铅、无毒且稳定的材料，我们则利用电脑模拟，认为一种含铯、钛和卤素成分（溴或碘）的钙钛矿电池是个良好的候选材料，而目前我们正在测试它的属性。”


       与其直接将钙钛矿电池取代硅晶电池，该团队试图将两者合二为一，制作出“串联”太阳能电池。在电池设计中，钙钛矿薄膜位于硅层的上方，由于钙钛矿是半透明材质，能让一些光穿透至下方的硅层，两者合作可将更多光转换成电能。


       钙钛矿与硅晶电池各有各的优缺点，研究团队希望可借由设计多层、不同能隙的材料来提升光电转换效率，Padture表示，目前还不打算取代现有的硅晶技术，但团队正在努力提高它的性能，如果可以能抢先制造出稳定的无铅串叠型电池，那就会是未来的赢家，而这种新材料看起来非常不错。


       研究人员制造出1.8伏特的宽能隙钛─钙钛矿薄膜，该薄膜可以吸收更高能量的光子，其他光子则由底下的矽层吸收。虽然目前光电效率仅3.3%，远低于硅晶电池或是其他钙钛矿电池，但研究人员表示，此为首次尝试的新材料，目前还有许多改进的空间。


       美国斯坦福大学材料科学与工程教授Michael McGehee今年（2018）初也提出了类似的电池设计，根据他的研究，串叠型电池的效率比一般的硅电池高10%，这可能是钙钛矿材料攻入市场的方式之一。


       这也不是研究人员第一次寻找铅的替代材料，但该团队表示这项钛含量多，也更加防生锈，并且提供的电压比其他材料还要多。在其他无铅的材料实验中，开路电压（Open-circuit voltage）通常仅0.6伏特，而锡金属则会遇到生锈的问题。


       开路电压为电池在无负载的情况下，电池正负极之间的电压。Padture表示，此电压通常用来评估太阳能电池材料的潜力，一开始就有如此高的电压，未来应该满有前途的。