前瞻綠色材料高值化研究中心

技術開發與成果

C分項: 先進太陽能電池材料與製程

C-1、研究計畫之背景:

太陽能為我國再生能源之重要的發展項目,可減少對於火力與核能發電的依賴,以及降低對環境之汙染,因此其技術開發與管理上皆是迫切需要解決的課題。雖然目前我國太陽能產量已於全球光電產業中占有一席之地,然而矽晶太陽能模組商業化成本太高,而貴金屬化合物薄膜型產品含有毒金屬易造成環境污染,因此新一代的有機及混成太陽能電池為重要發展方向;包含染料敏化光驅動電池、有機及鈣鈦礦太陽能電池,且其單一薄層元件光電轉換效能已接近商業化門檻,特別是在低照度弱光產品應用,且可採用低耗能的溼式roll-to-roll生產方式,與現有穿戴式電子或是工業產業有效結合,大幅度地提升其穿戴設備產品應用。然而目前大多數有機無機鈣鈦礦光伏元件的研究皆是以多晶薄膜作為元件的光吸收層,鮮少利用單晶薄膜製備的元件和其元件表現。由於單晶較多晶薄膜,擁有更低的缺陷密度、更高的光學密度、更長的載子擴散距離、以及更高的載子遷移率,因此可進一步提升有機無機鈣鈦礦元件效率、穩定度與壽命。本計畫採用熱鑄法製備鈣鈦礦光伏元件之外,更利用氯摻雜控制晶粒大小、載子再結合時間、與載子濃度,效率>18%( Adv. Energy Mater. 2017)。近年發展出以表面配位基控制單晶形狀甚至晶面種類的策略,並成功將單晶應用於光偵測器元件上(ACS Cryst. Growth Design 2017)。另外,具低耗能製程與高光電轉換效率的下世代太陽能電池-染敏電池成為近年取代傳統高成本矽晶太陽能電池的潛力股。本研究團隊2005年迄今共發表 218篇以上關於染敏電池的學術論文,平均每篇論文之IF=6.030,顯示本團隊在此領域具有高能見度。最近國內外的研究顯示,染敏電池在弱光環境下的光電轉換效率極高(~25%),這項優勢使其室內應用性大幅提升。然而,在染敏電池扮演催化電解質的白金輔助對電極的成本與製程極為昂貴與繁瑣,也相對限制了此種太陽能電池之商業化;有鑑於此,本研究團隊從2007年開始研發不同系列的非白金觸媒以及相關綠色製程,例如兼具高效能與高穿透度的N-doped graphene/PEDOT複合材料來取代傳統白金(Nano Energy 2015),其元件效能(8.30±0.03%)高傳統使用白金對電極元件效能(8.17±0.03%)。2016年,本團隊成功製備出無需使用模板即可合成出一維管狀PEDOT-MeOH導電高分子陣列並應用於染敏電池,其元件效能可達9.13 ± 0.06% (J. Mater. Chem. A 2016)。 2017年,本團隊首度引入金屬有機骨架結合導電高分子的MOF-525/sulfonated polythiophene複合材料並使用碳布作為基材來實現可撓曲電極。值得一提的是此電極無需使用繁瑣的高真空與高溫製程即可製備完成,其元件效能在弱光條件下(~10 mW cm-2)可達到9.75% (Nano Energy 2017)。延續上述研究成果,本研究計畫將持續針對開發非鉑金材料(包含導電高分子、碳材以及相關金屬化合物等)及相對低汙染綠色製程並進一步應用於染敏電池整合應用。此外,也將著重於設計並開發適用於室內低照度下非鉑金材料於染敏電池。大氣電漿技術由於不需真空,特別適用於非真空製程的染敏電池及鈣鈦礦太陽能電池的製程整合,且為快速之綠色製程,本團隊利用大氣噴射電漿開發出5秒染敏電池對電極製程,製程單位面積所需能量為500 J/cm2,為傳統高溫爐製程的1/5以下,使用的氣體為可循環使用地球含量豐富取得容易的氮氣氣體,亦取得兩項關鍵專利,未來將進一步於實驗室測試放大製程規模的可行性分析,進行掃描式大氣電漿的電極製程開發,測試應用於捲對捲或連續製程的可行性。鈣鈦礦太陽能電池的低溫透明電極製程為其關鍵技術,因此將積極進行電池低溫製程電極快速表面改質,並與國際單位進行合作,包括加州理工大學,荷蘭TNO,匈牙利Szeged大學等,以提升鈣鈦礦電池的光電轉換效率。

 

C-2研究方法、進行步驟及執行進度:

針對鈣鈦礦太陽電池系統,本團隊將採用A2BX6型式鈣鈦礦、同族元素替換、及I-III價金屬之雙層鈣鈦礦開發適用於光電應用之無鉛鈣鈦礦,降低目前鈣鈦礦之環境與健康影響,並利用單晶之低缺陷與少晶界特性,增加鈣鈦礦於環境中的穩定度與元件壽命。針對染敏電池,本計畫將合成非鉑金材料(包含導電高分子、碳材及相關金屬化合物等),導入相對低汙染綠色製程,整合環境友善染敏電池於室內低照度環境下應用。另一方面,亦將導入環境友善的掃描式直流脈衝氮氣大氣噴射電漿,開發染敏電池光電極及對電極快速製程,也將利用常壓介電質輝光放電電漿進行鈣鈦礦太陽能電池低溫電極製程及改質處理。最後將利用環境友善的大氣電漿製程製備非鉑金材料對電極染敏電池,以達完全環境友善太陽能電池的研發目標。本團隊也將利用高階分析儀器,包含場發射電子顯微鏡、共聚焦離子束、小角X-ray繞射以及原子力顯微鏡等開發新型分析技術,針對新型態太陽能電池的微結構進行精確分析,進而建構一個利用高階儀器分析之標準程序,用於精確分析新型奈米太陽能電池材料。本計畫以五年時程,針對兩種先進太陽能電池: 即鈣鈦礦與染料敏化太陽能電池之新材料提出探索,導入環境友善製程與建立精準分析技術,以期達到低汙染、高穩定度之光伏元件總目標。其分年目標如下:

 

1-2年工作內容: 1.類單晶元件與單晶元件技術之建立; 2.應用大氣電漿製程製備鈣鈦礦元件; 3.開發新型非鉑金材料; 4.電池材料與介面之微結構分析; 5.大氣電漿染敏電池光電極及對電極製程開發; 6.新型過氟官能性導電高分子材料的合成、製備及分析。

3-4年工作內容: 1.開發適用於光電元件之無鉛鈣鈦礦材料; 2.應用高階電子顯微鏡研究無鉛鈣鈦礦之結晶結構; 3.導入低汙染綠色製程與掃描式大氣電漿快速製程; 4.進行常壓輝光放電鈣鈦礦太陽能電池低溫電極製程開發及材料改質; 5.利用高階電子顯微鏡及共聚焦離子束開發高解析度二維及三維空間之分析方法。

5年工作內容: 1.製備無鉛鈣鈦礦單晶元件; 2.應用新型電極材料與大氣電漿製程製備鈣鈦礦元件; 3.環境友善染敏電池整合應用於室內低照度環境下; 4.結合鈣鈦礦電池建立互補式太陽電池系統; 5. 開發X-ray散射非破壞性精準分析新型奈米太陽能電池材料。

圖一、C分項能源材料之計畫架構圖。

 

109年執行成果亮點

重點發展項目

發展現況

最終目標

109年度展示成果

有機太陽能電池及其氫能應用

1.本技術世界發展程度為成長期,目前全球在產氫儲氫上仍尚未突破技術方面之瓶頸。目前世界PV-electrolysis產氫之效率大多低於10%。由於高效率PV裝置製造程序繁複且成本高昂,至今仍難以商業化應用。

2.主持人何國川教授研究團隊著力於電催化材料研究,開發以非貴金屬為主之電催化材料取代鉑金、二氧化銥和二氧化釕等貴金屬,進而應用於PV-electrolysis產氫系統之電催化材料。

3.林唯芳教授研究團隊以電漿及化學方法製備高能隙鈣鈦礦太陽能電池,效率達16%,另外闕居振教授團隊成功將介孔材料導入鈣鈦礦太陽能電池並增進整體的元件效能與穩定性,以有機分子對鈣鈦礦太陽能電池進行介面改質,其效率達到19.4%,但在鈣鈦礦太陽能電池之長期穩定性及產業化應用,全世界都尚在努力中。

以先進太陽能電池提供驅動水分解產氫所需電壓,並結合固態金屬罐儲存生成之氫氣,最終目標完成一套產氫儲氫之系統以及降低裝置生產成本並商業化。

1. 本技術為合成結合零維與一維之海膽狀硒化鈷/氧硒化鈷應用於染敏太陽能電池對電極,其效率高於傳統鉑金對電極,在室內光源中,亦有相當高之光電轉換效率。在光強度為一個太陽強度條件下,其光電轉換效率達9.29%,同時,在室內T5燈管照度下,其效率高達19.88% (本研究成果發表於J. Mater. Chem. A, 2019, 7(45): 26089-26097),所開發材料極具潛力之電解水產氫電催化材料。

2. 以環境友善的材料配合不同的環保溶劑製作出的各膜層配方,再以傳統大面積狹縫式塗佈法在一般大氣室溫環境下將材料溶液塗佈成濕膜,接著快速紅外光一步驟乾燥長晶成均勻的薄膜。太陽能電池所需的四層薄膜,每層分次在彼此之間不會互相作用下,且以少於1分鐘自動化製程一步驟快速完成,而一般的製程塗佈、乾燥與長晶是分開,每層薄膜皆須分鐘至小時的時間才可以完成,較不易自動化。所開發技速能在18秒內塗佈12公分×12公分之均勻大面積鈣鈦礦薄膜,此膜製成的太陽能電池,最高效率可達14.30%,以全狹縫塗佈法製備之鈣鈦礦太陽能電池(除上下方電極外之所有膜層),其最高效率約為11%(已申請美國及台灣專利,台大專利編號案號06A-190103TW、06A-190103US; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 202001567 (期刊封面)。