為鈣鈦礦電池尋出路，串疊型電池與鈦金屬是潛在良方

做為最受歡迎的再生能源產業，太陽能領域競爭非常激烈，目前市佔率最高的太陽能電池為多晶硅與單晶硅等硅晶電池，但長江後浪推前浪，新興的鈣鈦礦電池正虎視眈眈盯著市佔第一的寶座。美國布朗大學與內布拉斯加大學林肯分校（UNL）組成的團隊也致力於提升鈣鈦礦電池的性能，更找到取代有毒物質──「鉛」的材料。

鈣鈦礦電池具有便宜、製程容易的優點，光電轉換效率也從 2009 年的 3.81%，提升至可與硅晶電池比擬的 22%，近期的研究更提升到 26%，然而鈣鈦礦電池中的鉛物質具有毒性，可能會對生物與環境產生危害，因此化學材料學家紛紛尋找如何替代鉛或是解毒的方式。

布朗大學電機教授 Nitin Padture 表示，「目前鈣鈦礦的研究重點之一為尋找可替代鉛、無毒且穩定的材料，我們則利用電腦模擬，認為一種含銫、鈦和鹵素成分（溴或碘）的鈣鈦礦電池是個良好的候選材料，而目前我們正在測試它的屬性。」

與其直接將鈣鈦礦電池取代硅晶電池，該團隊試圖將兩者合二為一，製作出「串聯」太陽能電池。在電池設計中，鈣鈦礦薄膜位於硅層的上方，由於鈣鈦礦是半透明材質，能讓一些光穿透至下方的硅層，兩者合作可將更多光轉換成電能。

鈣鈦礦與硅晶電池各有各的優缺點，研究團隊希望可藉由設計多層、不同能隙的材料來提升光電轉換效率，Padture 表示，目前還不打算取代現有的硅晶技術，但團隊正在努力提高它的性能，如果可以能搶先製造出穩定的無鉛串疊型電池，那就會是未來的贏家，而這種新材料看起來非常不錯。

研究人員製造出 1.8 伏特的寬能隙鈦─鈣鈦礦薄膜，該薄膜可以吸收更高能量的光子，其他光子則由底下的矽層吸收。雖然目前光電效率僅 3.3%，遠低於硅晶電池或是其他鈣鈦礦電池，但研究人員表示，此為首次嘗試的新材料，目前還有許多改進的空間。

美國斯坦福大學材料科學與工程教授 Michael McGehee 今年（2018）初也提出了類似的電池設計，根據他的研究，串疊型電池的效率比一般的硅電池高 10%，這可能是鈣鈦礦材料攻入市場的方式之一。

這也不是研究人員第一次尋找鉛的替代材料，但該團隊表示這項鈦含量多，也更加防生鏽，並且提供的電壓比其他材料還要多。在其他無鉛的材料實驗中，開路電壓（Open-circuit voltage）通常僅 0.6 伏特，而錫金屬則會遇到生鏽的問題。

開路電壓為電池在無負載的情況下，電池正負極之間的電壓。Padture 表示，此電壓通常用來評估太陽能電池材料的潛力，一開始就有如此高的電壓，未來應該滿有前途的。

（本文由 EnergyTrend授權轉載；首圖來源：布朗大學）

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