2015/12/05
經濟部能源局
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撰文／郎若帆（台灣經濟研究院 副研究員） 整理／鍾嘉雯 圖片提供／《光連雙月刊》
太陽能電池中，鈣鈦礦電池號稱製造成本低、應用廣泛，其光電轉換效率也有許多發展空間，但在安全性與穩定性上還有許多待解決的問題。鈣鈦礦電池配方中含有毒性物質－鉛，若能研發出安全的封裝技術，並在轉換效率與發電穩定性上有所突破，則極有可能與主流的矽電池一較高下。
近年來，鈣鈦礦電池在矽電池主流的太陽能電池市場中異軍突起，除了製造成本低、應用廣泛，光電轉換效率更是急起直追。
低溫又低價的鈣鈦礦
鈣鈦礦（CaTiO3，泛指具有ABX3 晶體的結構物質）在太陽能電池市場的出現，有其受矚目的理由。鈣鈦礦的成份來源相當充裕，研究人員可輕易把這些成份結合，並製造出具有高度結晶化結構的太陽能薄膜。除此之外，鈣鈦礦電池的製作過程可在低溫下進行且成本低廉，這種薄且具彈性的材料，不像矽晶圓又厚又硬，未來可由特殊印刷機製造出重量極輕、可撓曲，甚至是具有各種色彩的超薄太陽能板和鍍膜。
目前已知性能最佳的矽電池效率僅為25.6%。太陽能電池為何無法把陽光中的能量全部轉換成電能？鈣鈦礦又為何很有希望超越矽的紀錄？以下將為讀者解說。
太陽能電池的能量轉換
太陽能電池材料中的電子各自位於所屬的原子中，光照之前，沒有電流流動，但陽光照射到電池時，就可能使電子釋出。這些受激發的電子具有能量，歪歪斜斜地在晶格中四處遊走，最後從太陽能電池的一端離開，形成有用的電流。電子可能在遊走途中遇到障礙物或陷阱，使能量轉換成熱能後散逸，晶格品質越好，使電子脫離行進路徑的缺陷就越少。矽電池通常需要加熱到攝氏900度以上，以去除這些缺陷，鈣鈦礦的製程僅需攝氏100度左右，因此鈣鈦礦電池受激發時，電子攜帶的能量與矽電池差不多，但製程卻方便許多。
太陽能電池把陽光中的能量轉換成電能的效率是有極限的。電子受激發所需的最低能量稱為「帶隙」（bandgap），陽光中包含各種波長的光，但只有特定波長可讓電子跨越帶隙，帶隙越低，電池可吸收的陽光光譜範圍越大，但每個電子攜帶的能量也越低。矽的帶隙固定而且不算理想，仍然是太陽能產業的主流，這是因為我們已經相當清楚如何有效率地製造矽的相關產品。如果要發展鈣鈦礦電池，可以調整成份比例，藉以改變帶隙，提高效率，也可以把帶隙不同的鈣鈦礦電池疊在一起。某些預測指出，雙層鈣鈦礦電池的效率可望達到46%，突破目前33%的極限。
此外，科學家也期待鈣鈦礦帶來一些創新。如改變化學比重，可製造出帶有柔和淡黃色或深紅色的太陽能電池；或者在玻璃片上執行沉積程序時，使鈣鈦礦呈塊狀分布，製造出不透明、透明或半透明的薄膜。與堅硬、不透明的藍黑色矽電池相比，五彩繽紛的鈣鈦礦太陽能薄膜，用來設計天窗、窗戶和建築立面，不僅用來隔熱，減少冷氣用電，還可轉換成電能提供電力。
商業化願景的挑戰與契機
然而，要量產至可以商業化，鈣鈦礦還有漫長的路要走。實驗室和新創公司必須努力提升電池尺寸，還要滿足3項必要條件：確保太陽能電池可穩定發電數十年、設計出讓消費者可安心裝設的產品、讓鈣鈦礦電池的轉換效率一舉超越矽電池。
業界大多把太陽能板的保用期限訂為25年，相當於持續在充足陽光下運作54,000小時，找出溫度範圍大、使用時間長的高效率防水層是相當重要的任務。另外，鈣鈦礦電池需要妥善封裝，以隔絕水份，而鈣鈦礦的配方中含有少量的鉛，鉛是毒性物質，市場會特別要求鈣鈦礦電池能夠永久密封，保證發電安全無虞。因此，研究人員在太陽能電池密封和嚴苛產品測試中，尋求解決鈣鈦礦難題的方法，以消除水解和鉛擴散的疑慮。
相較於矽電池，鈣鈦礦電池可以調整比例、或雙層疊加增加效率，但仍需要時間來研發。當安全性、穩定性與轉換效率都有所保障後，鈣鈦礦電池的未來無可限量。
關鍵字：鈣鈦礦電池,光電轉換效率,太陽能,穩定性