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顛覆性的新興太陽能技術-鈣鈦礦太陽能電池

已更新:2021年11月2日


  隨著世界人口數快速增加,對於能源的需求亦日益遽增,尋求乾淨、有效的替代能源,是科研工作的首要目標。於眾多的再生能源中,太陽能電池在「鈣鈦礦」的出現後獲得新的定義。鈣鈦礦太陽能電池,它不僅可以在強光下發電,於弱光下仍可以維持良好的發電效率,優異的加工性讓鈣鈦礦得以用成本低廉的溶液製程製備,因此鈣鈦礦以飛快的速度發展並於10年間,其轉換效率已達25.5%。作為一個對氧氣以及濕氣高敏感的材料,鈣鈦礦需要在不含氧氣以及水氣的環境下施作,但此製程條件成本高昂局限了鈣鈦礦技術的產業化的可行性及速度。因此林教授團隊著手從材料本身做創新的改質,穩定晶體的化性、物性及加工性,成功發展出可於大氣環境中製備、無毒性且耐用年限超過15年之高效率(>20%)鈣鈦礦太陽能電池,再自行設計製作的大面積濕式薄膜狹縫式塗佈自動化設備,並配合快速的紅外光乾燥長晶,於1分鐘內製成均勻的鈣鈦礦薄膜。於發展低溫透明導電薄膜技術的同時,製作出透明太陽能電池,與矽晶電池以疊層的方式形成太陽能電池,讓不同波長的太陽光得最有效運用,增加效率超過26%。為成熟的矽晶電池加分並重新詮釋了太陽能光電技術,使得價廉的太陽能光電的遠景得以實踐。

  能源,看似是一個摸不著的概念,但於人類的歷史中卻扮演著重要的角色,翻開人類的歷史,亙古至今都可以看見它的足跡,而如何能蒐集、控制以及管理能源,一直是人類社會中重要的議題。隨著科技的進步,人們對於能源的態度,不再是被動的使用,而是主動嘗試以更有效的方式產生、儲存並運用之。然而,隨著世界人口數快速增加,對於能源的需求亦日益遽增,尋求乾淨、有效的替代能源,成為許多科研工作的首要目標。

  於眾多的再生能源中,太陽能為最早被應用於日常生活中的再生能源之一,農業時期,人類利用作物蒐集太陽能並將其轉化為化學能,進而生產糧食。於50年代,美國貝爾實驗室為解決偏遠地區的用電問題,發明了第一個具有實際應用價值的矽晶太陽能電池,在近60年的發展中,提升太陽能電池的光電轉換效率並更有效得應用這俯拾即是的能源,成為了首要的目標。但受限於太陽日照的變化以及材料的物理特性,習知的矽晶電池雖具有逾20%以上的效率,於實際應用時,因在弱光下發電效率的大幅衰退,使得矽晶電池難以保持穩定的發電效率。有幸於2009科學家發現了一光電特性極佳的材料「鈣鈦礦」,它不僅可以在強光下發電,於弱光下仍可以維持良好的發電效率,優異的加工性讓鈣鈦礦得以用成本相對低廉的溶液製程製備,因此鈣鈦礦以飛快的速度發展並於短短的10年間,轉換效率已從初始的3.9% 迅速得提升至具競爭力的25.5%。

  此光電材料界的超級新星很快地吸引了林唯芳教授的目光,於2015年從鈣鈦礦的基本化學、物理以及長晶特性著手研究,建立厚實的根基,並於2017年獲科技部的重點支持—鈣鈦礦太陽能電池製程與量產技術的產學研發,使得她研究團隊的研究宗旨「開發上、中、下垂直整合的創新產品」得到機會並有效地展開,由原創材料的設計合成、製程的創新優化、高功能性高效率的產品製作三步驟一連貫的開發建立,為工業界建立前瞻創新的技術。

  因鈣鈦礦本身為一對氧氣以及濕氣高敏感的材料,因此需要在不含氧氣以及水氣的環境下施作並藉由以拉長乾燥時間的方式控制薄膜的品質,但此製程條件成本高昂大大地局限了鈣鈦礦技術的產業化的可行性及速度。因此林教授團隊著手從材料本身做創新的改質,穩定晶體的化性、物性及加工性,成功發展出可於大氣環境中製備、無毒性且耐用年限超過15年之鈣鈦礦材料,再自行設計製作的大面積濕式薄膜狹縫式塗佈自動化設備,並配合快速的紅外光乾燥長晶,於1分鐘內製成均勻的鈣鈦礦薄膜。再進一步發展低溫透明導電薄膜技術,製作出透明太陽能電池,與矽晶電池疊層後可以超越矽晶電池的之效率上限。林教授強調鈣鈦礦最好的機會,不在於跟主流矽晶電池片競爭,而是在於跟矽晶電池的合作,以串疊的方式讓不同波長的太陽光,得以最有效的方式被運用,並為這些既有成熟的矽晶電池加分,使得價廉的太陽能光電的遠景得以實踐。

  為了與國際接軌,林教授團隊持續進行國際合作,透過歐盟M-ERA.Net奈米材料計畫(2017-2020),與荷蘭以及匈牙利進行三方的三年合作計畫(CLEARPV project),並建立起共同的技術平臺,林唯芳教授希望能透過鈣鈦礦太陽能電池的契機,為臺灣打造出從材料到製程及產品都能完整掌握的一條龍能源產業。

本文來源臺灣研究亮點:https://trh.gase.most.ntnu.edu.tw/tw/article/content/174

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