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明志科技大学与东海大学合作开发金属硫化物光伏电池

人气: 发表时间:2022-06-08

“半导体”以及“新能源科技”是台湾经济的两大命脉。明志科技大学材料系助理教授陈政营与东海大学物理系简世森教授研究团队合作开发大地丰富的金属硫族化合物光伏电池:铜锌锡硫硒(CZTSSe)及其光反应阻抗频谱技术并发表于国际知名期刊《ACS Applied Electronic Materials》。

发展再生能源是未来之趋势,而薄膜太阳能电池为再生能源重点发展之一,其原理是利用光伏效应将光能转化为电能。目前铜铟镓硫硒 Cu(In,Ga)(S,Se)2   (CIGSSe)  与碲化镉  (CdTe)  化合物半导体的薄膜太阳能电池最高能源传换效率可大于 20%,且由于这类薄膜材料光谱响应范围较宽、吸收系数高,故对弱光的敏感度高,具有在弱光下发电的能力,所以其有效发电时间比硅晶电池长的多。但因为镉  (Cd)  为有毒元素且铟  (In)、镓  (Ga)、碲  (Te)  含量稀少,因此使其无法达到兆瓦级 (terawatt)的全球功耗需求。因此发展廉价、大地含量丰富的薄膜太阳能电池材料便得到了广泛的关注。而新一代金属硫族化合物:铜锌锡硫硒 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTSSe) 由于它的组成全是大地丰富、无毒的元素且同时具有与 CIGSSe 类似的光电特性,将是最具潜力的替代光伏能源材料之一。

在薄膜太阳能电池中半导体p-n异质结(p-n heterojunction) 的电学性质对于电荷传输和功率转换至关重要。本研究团队利用650 nm和473 nm激光照射下量测铜锌锡硫硒 (CZTSSe)太阳能电池之阻抗频谱反应以对其异质结进行研究。此结果证明金属硫族化合物光伏电池中,常被选用的ZnO / CdS结之电阻其实不利于光生电子的收集,因而若想进一步提升电池效率,接口材料(/能带)选用将会是未来改善元件效能之关键。

另外,因为薄膜太阳能电池相对于硅晶电池具有高的功率重量比 (the power-to-weight ratio),日前研究报导更预测薄膜光伏电池在十年内会有超过一百倍的市场成长。由于 CZTSSe 对弱光敏感度高及可调变的能隙宽度 (tunable  bandgap),IBM 研究人员更指出其将可为分散式物联网元件供电 (solar-powering edge devices for the internet of things)。故更显得光反应阻抗频谱技术在发展CZTSSe光伏电池研究之重要性。

明志科技大学材料系网址:https://mse.mcut.edu.tw/