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為何鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池是現今再生能源技術的明日之星?
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發展鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術最有力的工具
- 再生能源的重要性
- 鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池的優勢與發展潛力
- 支持鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術發展最有力的工具
1. 再生能源的重要性
隨著全球人口持續增加，且大眾對於科技商品的依賴不斷提升，人類對於能源的需求有增無減。依據世界能源理事會World Energy Council (https://www.worldenergy.org/) 的預估，西元2060年，人類對於電力的需求將翻倍，若以石化燃料 (Fossil Fuel) 發電來供應，我們除了要面對燃料儲量枯竭的問題，燃燒石化燃料對於環境的汙染所造成的溫室效應，更將造成人類無法承受的生存浩劫。
因此，使用再生能源 (Renewable Energy) 就成為唯一的解決方案。再生能源的種類很多，包括：生質燃料﹅地熱﹅潮汐能﹅水力發電﹅風能﹅氫燃料與太陽能…等等。在考量能源供應的充沛性﹅穩定性以及轉換效率等重要因素後，太陽能脫穎而出，成為全球最為倚重的再生能源項目之一。
太陽能的應用相當廣泛，歸納起來主要有三種運作模式：
- 『光電轉換』：利用太陽能電池進行發電。
- 『光催化』：利用觸媒進行光催化製氫、二氧化碳還原、有機汙染物降解、生質能轉化等。
- 『光熱能』：利用太陽光的熱能製備熱水，鹽類蓄熱﹅進行海水淡化等。
太陽能相當充沛。地球在上層大氣傳入的太陽輻射(日照)接收了174 petawatts (PW)。大約有30%的太陽能被反射回太空，而其餘的太陽能則被雲層、海洋和陸地吸收。在地球表面的太陽能光譜大多分布在一小部分近紫外線，全部可見光，和近紅外線的光譜範圍。地球平均接受的光照能量大約為1.7 × 1017瓦特，其能量的1%相當於能夠提供全球74億人口兩百天用量，因此，太陽能可視為無窮盡的資源。(參考資料：維基百科 https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw；世界材料網 https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=32994)
2. 鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池的優勢與發展潛力
一直以來，太陽能電池的材料都以最常使用的半導體材料 – 矽晶為主，然而自 2009 年開始，一種特殊的有機金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」引起了科學家的注意。「鈣鈦礦」原本是指鈣與鈦的氧化物 CaTiO3 (結構可表示為 ABX3)，因為有機金屬鹵化物的結構與鈣鈦礦 ABX3 同類型，所以統稱為鈣鈦礦。太陽能電池用的鈣鈦礦，吸收光的效率很高，吸收光子後，可以很快地分離成電子與電洞，傳送到電極而產生電流。這樣的高效率讓科學家想到，何不用鈣鈦礦來製作太陽能電池呢？(參考資料：泛科學 https://pansci.asia/archives/323726)
以鈣鈦礦製作太陽能電池具有哪些優勢呢？
- 生產製程簡化：以矽晶做為材料時，為了減低晶格裡的缺陷數量，必須經過約 900℃ 的高溫長時間處理，然後再以半導體高真空高溫製程製作成二極體太陽能電池，工序繁瑣嚴苛。但鈣鈦礦太陽能電池是以溶液塗佈薄膜的形式來製作，所以不需這麼高溫，也不需要真空環境，只要在一般環境裡就可以製作。
- 能量轉換效率高：鈣鈦礦太陽能電池的理論轉換效率>40%，目前實驗室已產出的鈣鈦礦單獨元件，其轉換效率已達成25%，鈣鈦礦/矽晶疊層電池則已高達30%。(參考資料：台灣鈣鈦礦科技 https://www.tw-perovskite.com/3rdgenerationsolarcells)
當然，鈣鈦礦太陽能電池也非完美無缺，目前最大的缺點就是電池壽命遠不如矽晶太陽能電池。一般而言，矽晶太陽能電池的壽命可達30年，但鈣鈦礦太陽能電池的壽命大約只有10年。
為了提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率與壽命，許多科學家相繼投入研究。除了透過適當的材料參雜(Doping)來改善電池內部的電荷傳輸機理，亦透過創新的電池結構設計，成功提高太陽能電池的整體光電轉換效率，其中，鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池即為代表性的產物。
台灣大學林唯芳教授帶領的團隊，就是從事鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池研究的佼佼者。林教授團隊將透明的鈣鈦礦電池層，貼在矽晶太陽能電池的表面，形成疊層結構。當太陽光照射此疊層電池時，上層的鈣鈦礦材料吸收較短波長的太陽光，進行光電轉換；較長波長的太陽光則穿透上層電池，到達下層的矽晶太陽能電池，這也正好是矽晶太陽能電池光電轉換效率最高的波段。(請見圖一)
圖1. 鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池疊層，可以增加光電轉換效率。(參考資料：泛科學 https://pansci.asia/archives/323726)
林教授的疊層設計還有一項優點，那就是：受限於目前鈣鈦礦太陽能電池的壽命仍遠不如矽晶太陽能電池，日後若上層的鈣鈦礦電池損壞了，我們還能撕掉上層結構，重新貼上新的鈣鈦礦太陽能電池，賦予電池模組新生命。
3. 支持鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術發展最有力的工具
從眾多頂刊發表的研究報告顯示，Voc-loss開路電壓損耗分析(以下簡稱Voc-loss)，是現今最多研究者採用，藉以持續突破鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cell, PSC)效率極限，最有效的方法。
圖2. 近年研究鈣鈦礦太陽能電池效率改善，採用Voc損耗分析發表論文數統計圖。
圖2.為鈣鈦礦太陽能電池領域關於Voc損耗分析相關的SCI論文發表數統計。由趨勢可見，自2015年開始開路電壓Voc損耗研究逐漸受到關注，呈線性增加。雖然在2019~2020年，論文數因為Covid-19疫情有一個停滯期，但是在2021年有一個數量倍增的論文數增幅。而統計到2022年5月的SCI論文發表數，已經達到2021年全年度的水平。預估2022年的論文數相較於2021年，也會有倍增的論文數成長。
如前所述，歸納許多傑出科學家針對鈣鈦礦太陽能電池Voc損耗分析的研究成果，在結構上，多數關注的重點在於鈣鈦礦吸收體和電荷傳輸層之間的介面，若能進行精準的定量分析，確定其非輻射複合的起源，將對於持續突破鈣鈦礦太陽能電池效率極限，帶來極大的助益。
基於上述需求，有兩件事自然成為鈣鈦礦研究領域最在意的項目：(1)如何做到精準量測？(2)如何能利用量測數據快速計算並獲得熱力學損耗(ΔE1)﹅輻射複合損耗(ΔE2) & 非輻射複合損耗(ΔE3)的分析結果？這也是此研究領域普遍面臨的痛點。
光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統 (Enlitech REPS) 是一套完整的系統，可以幫助科學家測量、計算和分析工作中的太陽能電池中的Voc-loss，並為下一步的工藝改進提供思路。REPS不僅可以精準檢測極低的EL-EQE信號(低至 10-5 %，即 7 個數量級)，還可以計算熱力學Voc loss、輻射複合 Voc loss和非輻射複合 Voc loss (通過其軟體SQ-VLA）。此外，它還可以在一個柱狀圖中分析不同類型器件之間的 ΔV1、ΔV2和ΔV3損耗。快速提供研究人員有效的測試數據與分析結果，除了可以大幅節省研究人員的時間，還可避免人為運算所導致的錯誤。
圖3. 光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統 (Enlitech REPS)
圖4. 採用光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(REPS)針對鈣鈦礦太陽能電池進行損耗分析改善，系統產出的研究成果可以無縫接軌快速發表於期刊。
對於PERC、HJT、TOP-Con 等高效矽晶太陽能電池轉換效率的研究，自2015年起，將研究重心放在損耗分析已成顯學。轉換效率損失可歸因於三個因素，包括短路電流密度 (Jsc)、開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF) 損失。光焱科技的 QE-RX 不僅可以測量 PV-EQE、反射率和 PV-IQE 數據，還可以結合分析軟件 SQ-JVFLA 分析 Jsc、Voc 和 FF 損失。 Enlitech 在 QE-RX 中集成了三種不同的測試功能，並開發了 SQ-JVFLA 軟件，幫助用戶使用 Shockley-Queisser 熱極限理論分析三種不同的損耗。 QE-RX 是您提升矽晶太陽能電池光伏效率的最佳合作夥伴。
圖5. 光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統