太陽光電新衣—鈣鈦礦太陽能電池

太陽光電新衣—鈣鈦礦太陽能電池(Solar photovoltaic New Clothes: Perovskite Solar Cells)
國立臺灣大學環境工程研究生 游得君

臺灣地狹人稠，自然資源短缺，能源供給 99% 以上仰賴進口，隨著全球的經濟總量和規模逐漸擴大，傳統廣泛使用的化石燃料日益匱乏，再加上過度使用化石燃料造成全球暖化氣候變遷問題的加劇，近年來政府一直再尋求可再生的綠色能源，其中太陽能光電產業為極具發展潛力的替代性能源之一。

數十年來，以矽晶為基材製成的太陽能電池，一直為主流市場，技術日新月異的發展中，也出現過較受矚目的新興太陽能電池系統，像是染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池，因為利用溶液來進行塗佈製程，大幅降低成本和節省時間，然而穩定度和轉換效率一直是這兩個系統發展無法突破的瓶頸。

近幾年來開始有科學家把鈣鈦礦當成太陽能電池的基材，並經由不同研究團隊的不斷改良製程，使轉換效率在短短幾年內從最初的 3.8%，到現在停留在 25% 左右，驚人的成長速度，使它受到很大的注目，其實早在 19 世紀，礦物學家就已經發現地殼中自然形成的鈣鈦礦，它的化學通式為 AB，A 與 B 皆為陽離子，通常 A 為甲基胺（CN），B 為鉛，而 X 為鹵素離子（氯、溴、碘），圖一為鈣鈦礦的結構。

圖一、鈣鈦礦結構。（本文作者游得君繪製）

目前鈣鈦礦在邁向商業化的道路上，穩定性可說是它的一大弱點，它對大氣中濕氣的變化相當敏感，容易快速降解而逸出，因此需要以防水外殼嚴密封緊，此外鈣鈦礦中含有害物質鉛，在確保發電時能安全使用，也需多加採取防護措施，現階段要讓鈣鈦礦有機會進入市場的方法為與矽晶合作，在原本太陽能電池的矽晶層上添加一層鈣鈦礦形成串聯（圖二），鈣鈦礦能吸收矽晶所無法吸收的藍光、紫外光等能量較高波段，使光子將能量轉移給電子，使電子脫離原子，在晶格結構中形成電洞，接著電子和電洞流向相反的電極形成電流，使得產生的電壓更高，讓太陽能電池有更好的轉換效率（圖三）。

圖二、矽和鈣鈦礦串聯太陽能電池。（科學人雜誌）

圖三、轉換效率。（本文作者游得君繪製）

鈣鈦礦的優勢條件包括重量輕、效率高、成本低等，期許未來研究發展中能充分發揮鈣鈦礦的潛能，製造出能產生乾淨能源的裝置，由矽晶大步邁向新時代，鈣鈦礦為很值得持續關注的對象。

參考文獻

1. 希瓦倫、史川克斯、史奈斯（民104年九月）。鈣鈦礦－太陽光電穿新衣。科學人雜誌，136，37-41。
2. 廖學中（民102年9月）。太陽光電產業的新星—鈣鈦礦太陽能電池。台灣奈米資訊電子報。http://www.nanomark.org.tw/
3. Martin, A., Green, A., H., Henry J., S. (2014). The emergence of perovskite solar cells. Nature photonics, 8(7), 507-514. doi:10.1038/nphoton.2014.134