鈣鈦礦──太陽光電穿新衣
作者撰文／希瓦倫（Varun Sivaram）、史川克斯（Samuel D. Stranks）、史奈斯（Henry J. Snaith）翻譯／甘錫安 | 科學人雜誌 – 2015年9月1日
鈣鈦礦電池近年來異軍突起，比起主流市場的矽電池，除了製造成本低、應用廣泛，光電轉換效率更是急起直追。但目前還需克服穩定性、尺寸和環境安全等問題。
重點提要
■數十年來，矽晶一直是太陽能電池市場的主流，但以另一種結晶材料鈣鈦礦製造的太陽能電池，原型產品的光電轉換效率正快速趕上矽晶。
■鈣鈦礦的製程溫度比矽低了許多，因此價格可比矽低廉。鈣鈦礦太陽能電池可滾壓製成具彈性的彩色薄膜，應用性比堅硬、缺乏彈性的矽太陽能電池更廣。
■然而仍有重大挑戰必須克服。鈣鈦礦太陽能電池需要可妥善隔絕水份的技術，避免電池在數個小時內降解。
■鈣鈦礦太陽能電池含有少量的鉛，為了安全起見，必須永久密封。此外也必須加大電池的尺寸；目前效率較高的產品，大小僅和指甲相仿。
2011年，還是研究生的李秀明（Michael Lee），在夜幕低垂時坐在日本一家燈光昏暗的酒吧裡，匆忙在啤酒杯墊上潦草寫下一連串化學成份，深怕不久之後就忘記了。當天稍早，日本桐蔭橫濱大學的科
學家大方分享了開創性的太陽能電池配方，這個配方捨棄常見的矽，改用稱為「鈣鈦礦」（perovskite，CaTiO3，後來泛指具有ABX3晶體結構 的物質）的新材料。這種新型太陽能電池把陽光轉換成電能的效率只有3.8%，因此並未受到注意。但這個配方為李秀明帶來靈感，他在日本完成了資料蒐集任務 後，回到我們當時工作的英國牛津大學克萊蘭登實驗室，對該配方進行一連串調整。這次修改產生了第一款光電轉換效率超過10%的鈣鈦礦太陽能電池。李秀明的 發明引發了潔淨能源熱潮，與石油不相上下，促使全世界的研究人員爭相提升鈣鈦礦的光電轉換效率。
目前的紀錄是韓國化學技術研究所於2014年11月所締造的20.1%，在短短三年之間，效率提升到五倍之多。相較之下，最先進的矽太陽能電池開發工作持
續進行數十年，效率一直停留在25%左右，我們和其他鈣鈦礦研究人員一直緊盯這個目標。此外，我們也準備透過史奈斯（本文作者之一）共同創立的牛津光電
（Oxford Photovoltaics）這類新創公司，把鈣鈦礦產品首次推上商業市場。
鈣鈦礦有好幾項受矚目的理由，它的成份來源相當充沛，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薄膜。這個過程可在低溫下進行，而且成本
低廉；相較之下，在矽晶圓中，這類結構的製程溫度相當高，而且成本高昂。鈣鈦礦薄膜既薄又有彈性、還可捲起，不像矽晶圓又厚又硬，未來將可由特殊印刷機製
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。
然而如果要挑戰矽的主流地位，鈣鈦礦太陽能電池必須克服幾項重大障礙。首先，目前原型產品的尺寸僅和指甲相仿，如果要與矽太陽能電池競爭，研究人員必須想辦法使其加大。此外還必須大幅提升鈣鈦礦太陽能電池的安全性和長期穩定性，這是個相當艱鉅的挑戰。
贏得效率競賽
目前性能最佳的矽太陽能電池效率為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？
這些問題都可由受激發的電子找到答案。太陽能電池尚未接受光照時，材料中的電子各自位於所屬的原子中，此時沒有電流流動。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（離開電極，形成有用的電流）。此外，電子也可能在途中遇到 障礙物或陷阱而停止行進，使能量轉換成熱能後散逸。
晶格的品質越好，使電子脫離行進路徑的缺陷就越少。矽太陽能電池通常需要加熱到900℃以上，以去除這些缺陷。鈣鈦礦的製程溫度則低了許多（僅約 100℃），大致上沒有這類缺陷，因此鈣鈦礦太陽能電池受激發時，電子攜帶的能量與矽太陽能電池差不多，也較不容易遭遇障礙而流失能量。同時由於太陽能電
池的電能是離開電池的電子流（電流）和電子攜帶能量（電壓）的乘積，所以鈣鈦礦電池的效能可與矽電池不相上下，但製程方便許多。
然而，矽和鈣鈦礦等半導體太陽能電池把陽光中的能量轉換成電能的效率有其極限，主要原因是半導體的帶隙（bandgap），也就是電子受激發所需的最低能量。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，其他波長則只會穿過材料，卻不會造成任何影響。
每種半導體的帶隙各不相同，而且帶隙和電子的能量有基本的「得與失」關係：帶隙越低，太陽能電池可吸收的陽光光譜範圍越大，可用於激發電子，但每個電子攜
帶的能量也越低。由於電子的數量和攜帶能量都可能影響轉換後的電能，因此即使是具有理想帶隙的太陽能電池，也只能把33%的太陽能轉換成電能。
矽的帶隙固定而且不算理想，但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。而如果要以鈣鈦礦製造產品，研究人員也可
以調整成份比例，藉以改變帶隙，如此便可提高鈣鈦礦太陽能電池效率超越矽的可能性。此外，研究人員還可把帶隙不同的鈣鈦礦太陽能電池疊在一起，雙層鈣鈦礦 太陽能電池的效率應可突破以往33%的效率極限；某些預測指出，鈣鈦礦太陽能電池的效率可望達到46%。
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