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2017年1月号

Semi-transparent Perovskite Solar Cells with Graphene Electrodes

Convert more solar energy at much lower cost


玻璃是不少現代建築的重要元素,它可保護室內空間,卻無礙景觀。它亦能同時引入天然光線,減少人工照明的需要,節省能源。有了半透明太陽能電池,玻璃窗戶可把陽光轉換為電能,這樣就能省下更多電力。然而,市面上的傳統半透明太陽能電池成本高昂,轉換效率卻偏低,因而未獲廣泛採用。有見及此,應用物理學系嚴鋒教授率領研究團隊,成功研發出半透明鈣鈦礦太陽能電池。這種太陽能電池以石墨烯為電極,其轉換效率較現有的半透明太陽能電池高出百分之七十,而成本卻減半。除此以外,電池的兩面均可吸收陽光,非常方便。

鈣鈦礦電池晶體矽/薄膜電池的比較

太陽能是可再生的環保能源。現存的太陽能電池多為晶體矽和薄膜太陽能電池,屬第一代和第二代產品。嚴教授指:「晶體矽太陽能電池轉換效率非常高,但生產過程涉及高溫處理,而且損耗率高,因而十分昂貴。加上晶體矽並不透明,無法讓光線透進室內。輕巧的薄膜太陽能電池成本較低亷,但要令它呈半透明狀態,一般需要用納米級貴金屬線或碳納米管作電極,因此也所費不菲。」

於是,嚴教授及其團隊以新一代鈣鈦礦太陽能電池為基礎,研發嶄新的半透明太陽能電池。鈣鈦礦的生產成本比晶體矽便宜,生產過程中所牽涉的碳排放亦較少,所以較環保。嚴教授說:「鈣鈦礦吸收光線的效率也比晶體矽高。因此,若要吸收同等份量的陽光,鈣鈦礦可比晶體矽造得更薄;吸光層越薄,透光度也越高。」

石墨烯電極與貴金屬/碳納米管電極的比較

傳統半透明太陽能電池未獲廣泛採用,主因是價格高昂。故此嚴教授的項目以降低成本為首要目標,並從三個途徑達到此目標。首先,研究團隊必須另覓較便宜的透明材料來做電極,以取代納米級貴金屬(例如金、銀)線或碳納米管。「我們最後選用了石墨烯。它不但遠比貴金屬或碳納米管便宜,在導電性、透明度和耐用度方面亦更勝一籌。」

另外,傳統半透明太陽能電池的生產程序必須在真空環境下進行,生產量受到限制,成本亦相應增加。相反,鈣鈦礦太陽能電池的生產方法比較簡單,只需於低溫和大氣壓力下將一層層化學溶液塗在基板上即可。嚴教授說:「鈣鈦礦太陽能電池的原材料和生產設備都不昂貴,製造商甚至可以利用一般卷對卷打印機,將一大卷薄膜變成太陽能電池,成本絕對比傳統做法低廉。」

最後,傳統半透明太陽能電池的能量轉換效率偏低,一般只能把約百分之七的太陽能轉換成電能。從投資者的角度來看,轉換效率越低,投資的回收期就越長。嚴教授解釋道:「石墨烯鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率達百分之十二;換句話說,投資回收期可以縮短百分之七十。」

石墨烯鈣鈦礦太陽能電池的成本較傳統半透明太陽能電池低一半,相信能成為光伏行業的新貴。2016年8月,該項發明更於2016加拿大國際發明創新比賽中獲金獎殊榮。

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