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中國是光伏產品出口大國,研究非常蓬勃。10月14日,中國學者一口氣在《Nature》發表四篇鈣鈦礦光伏電池(Perovskite)論文,顯示科研實力。
據日本數據分析機構FRONTEO調查,2010年到2022年3月,全球發表超過3萬千篇鈣鈦礦論文。結果發現中國在基礎研究領先。2019年以後發表的超過5500篇論文,中國佔前10國總數3成,超越了美國。
鈣鈦礦光伏電池(PSC)運用薄膜材料,形狀可以彎曲設計,部署建築物外牆和彎曲表面,甚至溶液製作,無須高溫和高真空的工藝,大幅降低成本。
2009年,日本的宮坂力教授發明PSC光伏電池後,全球的光伏研究,8成集中鈣鈦礦,可見風靡程度。傳統矽光伏功率轉換效率(PCE)上限約22%,PSC公認為最有潛力的替代技術,惟缺點則壽命較短,戶外環境長期運作,性能卻不穩定。
同日齊發四論文
矽光伏電池壽命可達20年,PSC最初只有5年,但是PCE轉換效率卻較高,發電量更高;近期的研究集中合成技術,改良壽命和穩定,通過疊層光伏電池,利用不同能隙(Band gap)吸收層材料,吸收不同波段光譜,更多陽光轉化為電力。以溶液加工PSC,更可拓展應用光伏的場景。
目前,矽光伏電池八成產自中國,不少地區基於安全考慮,希望取代中國。「鈣鈦礦」屬金屬鹵化物材料,實際上不含鈣、鈦元素,非傳統意義上礦物,轉用PSC可擺脫中國在原材料的壟斷地位,不過中國研究人員數量上有優勢,範圍無孔不入。
上周,四個中國研究團隊同一期《Nature》期刊上,發表鈣鈦礦論文,包括蘇州大學、中國科學院化學研究所和北京分子科學國家研究中心、北京大學、南京工業大學和南京大學,涉及不同範疇。
光譜充份發電
近年PCS研究之中,疊層光伏電池(Tandem Solar Cell)最炙手可熱,太陽能光譜可被分成連續不同波長,對應相關的波長,通過合適能隙寬度的光電材料,疊層TSC電池通過調節能隙,理論上能最大程度利用太陽光譜。
鈣鈦礦/有機疊層光伏電池(Perovskite Organic Tandem Solar Cell,簡稱為TSC),可以溶液印刷製作,重量又輕,開發成柔性器件和塗在外牆上,PCE功率轉換率雖不及鈣鈦礦/矽疊層TSC,應用場景卻更廣闊,研究還包括德國波茨坦大學的Felix Lang參與。
上述鈣鈦礦/有機疊層光伏電池,PCE達26.4%,700小時連續照射下保持93%以上的初始效率,大幅改進穩定性,效率此類電池最高,有機層對短波反應不佳,又易受紫外線破壞,為更有效吸收太陽不同波長光電轉換,以寬頻隙鈣鈦礦材料作為頂電池,吸收短波長;窄能隙有機活性層作底層,吸收近紅外長波,擴大範圍利用太陽光譜,又降低能量損失。TSC過濾高能量光子,保護有機的活性層、防止受光降解;有機子電池則為封裝層隔絕水氧,提升了穩定性,亦可溶液加工,成本低又應用廣。
溶液加工應用廣
鈣鈦礦/有機TSC研究上的突破,中國光伏材料再度領先;由於可溶液加工,此柔性材料可配合穿戴設備、塗在半透明的「建築整合太陽能」(Building-integrated photovoltaics)項目、新能源車身及船舶,蒐集光伏配合儲能運作,與中國策略產業,可謂一脈相承。
本港多家大學研究PSC,城大HarvSolar鈣鈦礦光伏,連續運作1000小時後保持初始轉換效率(>95%)。科大亦開發手性構型介面微結構,應用PSC在1,200小時測試後達92%初始轉換效率,理工及港大等亦有多個PSC研究項目,與國內互補。
研究柔性電子方面,理大鄭子劍亦是先驅人物,所研究新一代集電器,可開發成柔性電池,已入選首期「產學研1+計畫」,柔性電池配合鈣鈦礦TSC光伏電池,整合為隨身發電儲能,發揮柔性電子器件,變成新賽道。