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2014年8月6日 星期三
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轉光為電:開發CIGS材料 光電轉化加速


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■蕭旭東負責研究用銅銦鎵硒(CIGS)製作的薄膜太陽能電池。馮晉研 攝

如何研發新技術來更有效地採集太陽光並將之轉化成電能,毫無疑問是發展太陽能的首要工作。傳統的太陽能電池基本上都以硅(Silicon)為原料,但往往要面對生產成本高,以及太陽能板裝置難以配合多元環境使用的挑戰。是次的太陽能主題研究,其中一部分便是開發高性能真空沉積薄膜太陽能電池,由中大物理系教授蕭旭東負責,以新的銅銦鎵硒(CIGS)化合物材料,製作成薄膜太陽能電池。

他表示,新設計的太陽能電池吸光後會產生「電子空穴對」,可轉化成電;但由於空穴和電子的「複合」會令兩者分別所帶的正負電荷流失抵銷,其研究希望能有效分離兩者,並從材料的特性入手,提高光電轉化效率。

元素四合一 有「先天」優勢

蕭旭東表示,成本高昂是現時太陽能面對的主要問題之一,以內地為例,以較廣泛採用的硅晶太陽能技術,產一度電成本約8毫至9毫人民幣,較燃煤約5毫幾乎貴一倍,其研究希望將太陽能發電成本壓低至跟燃煤相若。他指結合4種元素組成的化合物CIGS(Copper Indium Gallium Selenide),要製成太陽能電池所需要材料份量遠遠少於硅,且製作過程也較少,有降低成本的「先天性」優勢。

爬山喻研究 山腰易登頂難

如何提高光電轉化效率亦是研究的重點。蕭旭東指,目前於實驗室層面全球最理想CIGS電池轉化效率達到20.9%,即1,000瓦太陽光的可轉化成209瓦電;而中大5年前起研究CIGS,至今能夠達到的19.4%轉化效率,已足夠商業化,但未來工作卻充滿挑戰,「就像爬山一樣,你有衝勁從地面到山腰;但山腰爬到山頂就很難!」他表示,希望能將研究目標提高到「山頂」(理論上最高的轉化效率)的32%,但只能「摸茈衈Y過河」慢慢嘗試。

蕭旭東續稱,要提高光電轉化效率須對材料物理性質有深刻了解。CIGS材料吸收光源後,每一個光子會相應分別產生「電子」和「空穴」,前者帶負電荷,後者是正電荷,稱為「電子空穴對」。為了充分利用每一光子,需要研究阻止電子和空穴的正負電荷「複合」(Recombination),讓其運輸到導線收集及後到高壓線蓄電。

發掘材料缺陷 研究最大困難

材料本身的質素影響轉化效率,蕭旭東指,一些材料的缺陷(Defect)容易導致電子和空穴複合,浪費原本可用於發電的光源,而發掘材料的缺陷及將之改進為研究的最大困難之處,「材料本身有哪些缺陷,每種缺陷的特點是甚麼?哪一種缺陷是最壞?」這些都要仔細認識清楚。

另外,由於CIGS中的銦元素存儲量少,有用盡的一天,且銦同時可用作製造熒幕,不同用途間的競爭會令成本上升。蕭旭東表示,是次研究亦會探討以存量多的鋅及錫將之取代,開發銅鋅錫硫(CZTS)作為新的太陽能電池的材料,初步希望能讓轉化效率達15%。 ■香港文匯報記者 馮晉研

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