产业观测－钙钛矿可能重振薄膜太阳能市场

太阳能电池是利用半导体将光能转换成电能的装置，主要吸收300至1,100奈米波长，能量较高的太阳能电池中主要有N型与P型两种半导体，当太阳光照射N型半导体（矽晶片参杂磷）时，光子会激发许多电子，照射P型半导体（矽晶片参杂硼）时会激发许多电洞，可吸引电子来填充。两者相连的PN接面会因电子电洞的移动形成电位差（电压），接上外部电路后将电子与电洞导出获得电流。因此太阳能板必须有足够厚度以增加捕捉光子的机率，另矽的能隙是1.1eV，意思是光的波长必须小于1,100奈米才能转换成电能，这代表太阳能电池必须在够强的阳光下才能发电。目前矽晶太阳能电池的技术研发仍在不断推进，目标是提高转换效率、降低成本并延长使用年限，现转换效率已达21～23％。

钙钛矿是首先在俄罗斯被发现的钙钛氧化物矿物（CaTiO3），属正八面体结构，后来泛指所有化学结构通式为ABX3的晶体材料。早期因其抗磁特性，常被用于超导体的研究，但2009年日本科学家发现钙钛矿具有优越的光电转换率、合成工艺简单、可设计性强等优点，进而发明钙钛矿太阳能电池，该成就在2013年被《Science》杂志评选为年度十大科学突破，未来也极有可能问鼎诺贝尔奖。

钙钛矿的ABX3晶体结构，A离子位于正中心，被12个X离子包围成八面体，B离子则位于晶体的角顶，各被六个X离子包围；这三种离子透过不同元素的排列组合，或调整彼此间的距离，可呈现许多不同的物理特性，应用于太阳能电池时，A一般采用有机胺离子，B采用金属离子，X采用卤素离子。当太阳照射钙钛矿太阳能板时，钙钛矿吸收层主要发挥吸光作用、电洞传输层类似P型半导体、电子传输层类似N型半导体，内部也会形成电位差，接上外部电路后可将电流导出。

钙钛矿太阳能电池吸收光子后，其电子与电洞较容易分离，且其传播距离长，代表光子被吸收转为电能的机率更高，目前实验室的理论转换效率可达31～33％，超越矽晶太阳能电池的理论极限值。另因其配方可调整，生产成本仅矽晶太阳能电池一半，且钙钛矿可吸收光的范围更大，可使用于低光线环境，亦不像矽晶须有一定厚度，因此可采薄膜印刷生产，重量轻且柔软，可装置于建筑物外墙、窗户、车顶等传统「矽型」无法设置的场所，或可与矽晶太阳能板叠层获取更高的转换效率。过去具有相似特性的薄膜太阳能因转换效率过低、成本过高等问题，致市场占有率节节败退到仅剩5％，未来若钙钛矿发展顺利，局面应会大幅翻转。

但钙钛矿也面临各样困难需克服，首先，钙钛矿对环境十分敏感，温度、湿度、光照及电路负载等都会导致钙钛矿的分解和效率降低，且目前对降解的机制还没有很清楚的掌握，在大面积的生产技术也还需要优化；另其耐用年限较短（约十年），不及矽晶电池的20至30年。整体而言，钙钛矿的化学分子稳定度与制程成熟度上仍需持续投入研发，亦还未见大型厂商投入量产制程，亟待更多厂商共同参与开发及行业标准建立。

展望未来，预期钙钛矿太阳能的市场占有率应会逐渐扩大，可与矽晶太阳能分庭抗礼，各国也正加快研发脚步。日本首相岸田文雄近来宣布，将在2030年前推广「可弯曲太阳能电池」政策，目标是在2040年将供应量提高至现有的六倍左右，用于贴在建筑物的窗户或弯曲的车体上，以协助太阳能产业发展并降低使用传统电力成本，钙钛矿太阳能的发展将是重中之重。