為鈣鈦礦電池尋出路 串疊型電池與鈦金屬是潛在良方

:作為最受歡迎的再生能源產(chǎn)業(yè)，太陽能領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，目前市占率最高的太陽能電池為多晶硅與單晶硅等硅晶電池，但長江后浪推前浪，新興的鈣鈦礦電池正虎視眈眈盯著市占第一的寶座。美國布朗大學(xué)與內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校（UNL）組成的團(tuán)隊(duì)也致力于提升鈣鈦礦電池的性能，更找到取代有毒物質(zhì)──“鉛”的材料。

鈣鈦礦電池具有便宜、制程容易的優(yōu)點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)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(zhì)具有毒性，可能會(huì)對(duì)生物與環(huán)境產(chǎn)生危害，因此化學(xué)材料學(xué)家紛紛尋找如何替代鉛或是解毒的方式。

布朗大學(xué)電機(jī)教授NitinPadture表示，“目前鈣鈦礦的研究重點(diǎn)之一為尋找可替代鉛、無毒且穩(wěn)定的材料，我們則利用計(jì)算機(jī)模擬，認(rèn)為一種含銫、鈦和鹵素成分（溴或碘）的鈣鈦礦電池是個(gè)良好的候選材料，而目前我們正在測(cè)試他的屬性。”

與其直接將鈣鈦礦電池取代硅晶電池，該團(tuán)隊(duì)試圖將兩者合二為一，制作出“串聯(lián)”太陽能電池。在電池設(shè)計(jì)中，鈣鈦礦薄膜位于硅層的上方，由于鈣鈦礦是半透明材質(zhì)，能讓一些光穿透至下方的硅層，兩者合作可將更多光轉(zhuǎn)換成電能。

鈣鈦礦與硅晶電池各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)希望可藉由設(shè)計(jì)多層、不同能隙的材料來提升光電轉(zhuǎn)換效率，Padture表示，目前還不打算取代現(xiàn)有的硅晶技術(shù)，但團(tuán)隊(duì)正在努力提高它的性能，如果可以能制造出穩(wěn)定的無鉛串疊型電池，那我們就會(huì)是未來的贏家，而這種新材料看起來非常不錯(cuò)。

研究人員制造出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硅層吸收。雖然目前光電效率僅3.3%，遠(yuǎn)低于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(jìn)的空間。

美國史丹佛大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Michael McGehee今年（2018）初也提出了類似的電池設(shè)計(jì)，根據(jù)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(chǎng)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(tuán)隊(duì)表示這項(xiàng)鈦含量多，也更加防生銹，并且提供的電壓比其他材料還要多。在其他無鉛的材料實(shí)驗(yàn)中，開路電壓（Open-circuitvoltage）通常僅0.6伏特，而錫金屬則會(huì)遇到生銹的問題。

開路電壓為電池在無負(fù)載的情況下，電池正負(fù)極之間的電壓。Padture表示，此電壓通常用來評(píng)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(yīng)該滿有前途的。