http://phys.org/news/2013-11-simpler-cheaper-solar-cells.html
By Harry Dayantis, 2013.11.14
過去四年來，以鈣鈦礦（perovskites，下文均用原文）這種材料製成的太陽能電池已達到其他技術得花數十年才能達到的效率，不過直到最近，都沒人真的了解何以如此。
Perovskite 於 2009 年首度被用來製造效率為 3% 的光伏（photovoltaic， PV）電池，科學家很快就開發出能使其效率達到 15% 的技術，這超越其他新興太陽能技術（那些都還沒有突破 14% 的障礙）。
牛津大學的科學家（報告在 Science 期刊中）已揭開 perovskites 成功的秘密在於一種稱為擴散長度（diffusion length）的特性，並且提出一種方法，能使它好上十倍。
"擴散長度賦予我們一種指標，告訴我們光伏薄膜的厚度能有多厚，" Sam Stranks 解釋，他在 Henry Snaith 位於牛津大學物理系的小組中領導這項發現。"如果擴散長度太低，你只能用薄的薄膜，以至於太陽能電池無法吸收許多陽光。"
那麼，為何擴散長度如此重要？
光伏電池以二類型材料製成，稱為 p 型（p-type）與 n 型（n-type）半導體。P-type 材料主要包含帶正電的「電洞」而 n-type 則包含帶負電的電子。它們在「p-n接面（p-n junction）」相遇，在那裡因電荷差異而產生了電場。
當光子與電子碰撞時創造出「受激發的」電子與電洞，這時太陽能電池就會產生電。p-n接面的電場會將受激電子導向 n 型那一邊，而受激電洞則會被導向 p 型這一邊。它們會被金屬接點（電極）拾起，那使它們能在電路中四處流動，產生電流。
"擴散長度告訴你電荷載子（charge-carriers，電子與電洞）在它們重新結合前所能行進的平均距離，" Sam 解釋。"當受激電子與電洞相遇時，會發生「重新結合（recombination）」，留下一個低能的電子，它已失去從陽光那獲得的能量。"
"如果擴散長度比材料的厚度少，那麼絕大多數的電荷載子在它們抵達電極前將重新結合，所以你得到低電流。你會想要擴散距離的長度為材料厚度的二到三倍長，以便收集絕大多數的電荷。"
太陽能電池的厚度總是一種妥協 -- 若它們太薄則它們將無法吸收很多光線，但假若它們太厚，則內部的電荷載子將無法穿越。較長的擴散長度會使整個太陽能電池更有效率，因為它們可以被做的更厚，而不會喪失掉許多電荷載體。科學家能將太陽能電池排列成複雜的結構，稱為介孔結構（mesostructures），從而解決此問題，不過這是一種耗時且複雜的製程，尚未經過商業化實證。
先前，研究者能使介孔結構化的 perovskite 太陽能電池達到 15% 的效率，用的是一種擴散長度約為 100 nm 的 perovskite 成份。不過 Henry 的小組將氯離子添加到混和物中，從而達到 1000 nm 以上的擴散長度。這些改良能使太陽能電池在不需要複雜結構的情況下，就能達到 15% 的效率，使電池更廉價且易於生產。
"能以簡單、平面的結構製造出效率為 15% 的太陽能電池，造就出巨大差異。我們為了研究目的而製造了幾百個，那一是種很簡單的製程。我預期我們在接下來幾年內就能看見 perovskit 太陽能電池的商業化使用。它們的製造成本不可思議的低廉，有很高的轉換效率，而且也能做到半透明。我們也能調整顏色，所以你能以賞心悅目的方式安裝在辦公室的窗戶上。"
Perovskite 電池能在這麼短的時間內展現其商業化潛力，是對於它們神奇特性的一種明證（testament）。我們在接下來幾年內就能看見效率達到 20-30% 的 perovskite 電池，只要一丁點成本就能提供與標準的矽基太陽能電池一樣的電力。
"現在，能在此領域內研究，真的是令人相當振奮的時刻，" Sam 說。"那真的是一個迅速崛起的領域，我預期在未來二年內它會有更長足的演進。令人難以置信的是，這些進展到目前為止都是在學術環境中完成的，但要不了多久，業界製造商就會開始將 perovskite 太陽能電池視為強大的競爭者。"
※ 相關報導：
＊ Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber
http://www.sciencemag.org/content/342/6156/341
Samuel D. Stranks, Giles E. Eperon, Giulia Grancini,
Christopher Menelaou, Marcelo J. P. Alcocer,
Tomas Leijtens, Laura M. Herz, Annamaria Petrozza,
Henry J. Snaith.
Science 18 October 2013: Vol. 342 no. 6156 pp. 341-344
doi: 10.1126/science.1243982
＊ 「超結構」太陽能電池效率達10.9%
＊ 太陽能電池創下44.7% 的轉換效率
＊ 塑膠電子學可大幅削減太陽能板成本
＊ 超彈性電池的表現足以符合可穿戴式電子裝置的需求
＊ 未來能源給準備好的人
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