為何鈣鈦礦太陽能電池如此有效率？科學家揭開秘密

編譯／高晟鈞

來自於利希研究中心的研究人員透過創新的光致發光測量技術，開發了一種可以保護鈣鈦礦太陽能電池中自由載流子複合的方法。

鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池以其高效率、低生產成本而聞名。儘管其穩定性稍嫌不足；但在過去十年中，它們的能量轉換效率逐年攀升，如今已經達到與矽基太陽能電池相當的25%以上。

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作者Thomas Kirchartz表示，影響鈣鈦礦太陽能電池的一個重要因素是受激電荷載子在材料中保留的時長；換句話說，就是激發電子的壽命。了解這一過程，對於進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率極為重要。

電子的壽命

在太陽能電池中，電子被光子驅逐，提升到更高的能階。這個過程使得電子可以自由地流經外部電路。然而，只有在激發電子「壽命」足夠長的情況下，墊子才有機會穿過材料到達電觸點，幫助發電。

而材料晶格中的缺陷使得電子會快速回落到低能階，此時電子會失去對電流做出貢獻的能力，這種現象又被稱為「復合」，是每個太陽能電池的主要損耗過程。

沒有一種太陽能電池在原子層面上是完美的，不同的製程會形成不同的缺陷。這些缺陷會是電子與電洞傾向於聚集的一個點位，使得電子落回價帶，在發電方面變得毫無價值。

淺層陷阱

靠近導帶或價帶邊緣之定域態稱為「淺層陷阱(shallow trap)」，遠離導帶或價帶邊緣之定域態稱為「深層陷阱(deep trap)」。兩者差別主要在於活化能之大小，而不論是深層陷阱還是淺層陷阱，都是源自於各種在室溫當中穩定存在的不同結構上的缺陷。淺層陷阱會降低載子之遷移率，深層陷阱則可能使得載子無法順利從感光層流出。

之前，人們普遍認為復合（Recombination）現象的主因來自於深層陷阱。然而，Kirchartz和他的團隊已經反駁了這種假設，並表明靠近價帶的淺層陷阱對其最終效率更為重要。

研究團隊透過具有擴展動態範圍的新HDR測量技術，成功測量了以往難以區分的，由淺層缺陷所引起的損失過程。這可能對於保護鈣鈦礦太陽能電池的自由載流子複合有著積極的影響，並有機會進一步優化其能量轉換效率。

資料來源:Scitechdaily

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