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功率技術/新能源  

鈣鈦礦材料催生新一代太陽能電池

上網時間: 2015年05月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Perovskite  PV  太陽能電池  CMOS   

鈣鈦礦(Perovskite)基材已被拉攏到太陽能光伏效應(PV)的太陽能電池(Solar Cell)產業,這是由於基於鈣鈦礦材料將輕易製造對抗溫室效應的解決方案,加上該材料的轉換效率從2009年僅僅3.8%提升到2014年超過20%,因此鈣鈦礦材料製作而成的太陽能電池,在2016年可望進入商用市場。

鈣鈦礦也有很多其他的可調諧半導體特性,如高溫超導(High-temperature Superconductivity)、龐大的磁阻、鐵電,以及多樣化的磁性與光電性能。這讓研究人員思考--若是矽太陽能電池可以也被製作成不同的半導體晶片,為何鈣鈦礦基材不行呢?

早期研究人員曾嘗試從材料製造場效電晶體(FET),然而得到「有限的成功」,這是根據位於北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆的維克森林大學(Wake Forest University)教授Oana Jurchescu的研究結果,Jurchescu教授也聲稱他的研究小組是第一個成功利用鈣鈦礦鹵化物(Halide-Perovskite)製作出場效電晶體的團隊。這可能在靈活性、低成本、低功耗的光電半導體開創一個新紀元,類似於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)在彈性的基板上處理光訊號。

 CH3NH3PbI3-xClx混合鈣鈦礦鹵化物晶體結構。鉛(黃色球)和鹵化物(I/CI,粉紅球)各別位在八面體的中心和角部,有機陽離子則位於空隙。
CH3NH3PbI3-xClx混合鈣鈦礦鹵化物晶體結構。鉛(黃色球)和鹵化物(I/CI,粉紅球)各別位在八面體的中心和角部,有機陽離子則位於空隙。
(圖片來源:維克森林大學,2015/07)

「混合鈣鈦礦鹵化物場效電晶體(HHP-FET)能促進光電互補的發展。」Jurchescu教授告訴EETimes。他也補充說明,這項工作是與猶他州立大學(University of Utah)共同合作。

從光學角度切入,因為「發光二極體(LED)基於這些媲美市場上最好的化合物。」這是根據Jurchescu教授的說法。此外,HHP-FET半導體也可表現出波長可調光致發光(Photoluminescence,PL)發射,包括製造電泵浦雷射,以及有擴散長度數百微米的電荷載體。該材料具有自旋相關(Spin-related)屬性,儘管基於較強的自旋-軌跡(Spin-orbit)耦合而有相對短的自旋壽命。

好消息是,Jurchescu教授能夠以同樣的載體流動性,展示互補的N型(N-type)與P型(P-type)元件,讓類CMOS(CMOS-like)鈣鈦礦半導體能在未來問世。壞消息則是,Jurchescu教授目前的原型顯示出一個1cm2/Vs電子遷移率,相較於矽材料的1,400cm2/Vs的電子離動率,可說慘澹許多。然而,理論上HHP-FET最大的電子遷移率是2,000cm2/Vs--即使高過矽,但卻伴隨著300cm2/Vs的空穴遷移率(與矽材料的450cm2/Vs相比)。研究人員也發現HHP-FET在良率、可運作性及環定穩定性也比不上矽,這或許可從任何新的半導體材料預料得到。

基於混合鹵化物半導體層的FET結構示意圖,具有金源極和漏極接觸、CYTOP電介質和鋁柵電極。
基於混合鹵化物半導體層的FET結構示意圖,具有金源極和漏極接觸、CYTOP電介質和鋁柵電極。
(圖片來源:維克森林大學,2015/07)

「如同你指出的,在我們的HHP-FET得到的流動性比那些矽材料的紀錄還低。」然而這些材料仍具有其他幾個優點。其中一個優勢是比起矽製程,其相容性允許裝置可在低成本和一般環境條件下製造,如同沉積在任何類型的基板,包含彈性和可撓曲基板。此外,平衡空穴和電子傳輸建議方面,在互補光電應用中,這些材料是可被結合的,因為這樣的性能水準就已足夠。最後,這僅僅是最原始的第一代裝置,其被預測的流動率數值就已相當優越,我敢肯定,也許透過更好的工程裝置,流動性將能有所改善。

以原子力顯微鏡(AFM)測量本研究中使用的一個CH3NH3PbI3-xClx薄膜。
以原子力顯微鏡(AFM)測量本研究中使用的一個CH3NH3PbI3-xClx薄膜。
(圖片來源:維克森林大學,2015/07)

本研究工作由維克森林大學博士生、跟隨猶他州立大學Zeev Valentine Vardeny教授的博士研究生Yaochuan “Josh” Mei,以及博士後研究人員Chuang Zhang共同執行。

以掃描式電子顯微鏡(SEM)測量另一種非常相似的薄膜。
以掃描式電子顯微鏡(SEM)測量另一種非常相似的薄膜。
(圖片來源:維克森林大學,2015/07)

(參考原文: Solar Cell Material for Transistors Holds Promise--Halide-Perovskite FET printable,by R. Colin Johnson)

編譯:Anthea Chuang





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