作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矽與單晶矽等矽晶電池, 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%, 提升至可與矽晶電池比擬的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NitinPadture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, 我們則利用計算機類比, 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他的屬性. '
與其直接將鈣鈦礦電池取代矽晶電池, 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, 鈣鈦礦薄膜位於矽層的上方, 由於鈣鈦礦是半透明材質, 能讓一些光穿透至下方的矽層, 兩者合作可將更多光轉換成電能.
鈣鈦礦與矽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矽晶技術, 但團隊正在努力提高它的性能, 如果可以能製造出穩定的無鉛串疊型電池, 那我們就會是未來的贏家, 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%, 遠低於矽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.
美國史丹佛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矽電池高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-circuitvoltage) 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.
