產業觀測－鈣鈦礦可能重振薄膜太陽能市場

太陽能是人類所運用最成熟且最有效率的再生能源，根據氣候智庫分析，去年全球發電有12％來自太陽能和風能，其中太陽能發電量年增24％，為連續18年成長最快的電力來源，其發電成本也在過去十年下降了88％，從每度電0.417美元降至每度電0.048美元，已在多數國家達到「市電同價」甜蜜點，引發設置熱潮。但相較於目前太陽能電池的主要材料─矽，另一種新興材料─鈣鈦礦號稱可獲得更高效率、更低成本，且裝置環境更具彈性，因而吸引許多關注。

太陽能電池是利用半導體將光能轉換成電能的裝置，主要吸收300至1,100奈米波長，能量較高的太陽能電池中主要有N型與P型兩種半導體，當太陽光照射N型半導體（矽晶片參雜磷）時，光子會激發許多電子，照射P型半導體（矽晶片參雜硼）時會激發許多電洞，可吸引電子來填充。兩者相連的PN接面會因電子電洞的移動形成電位差（電壓），接上外部電路後將電子與電洞導出獲得電流。因此太陽能板必須有足夠厚度以增加捕捉光子的機率，另矽的能隙是1.1eV，意思是光的波長必須小於1,100奈米才能轉換成電能，這代表太陽能電池必須在夠強的陽光下才能發電。目前矽晶太陽能電池的技術研發仍在不斷推進，目標是提高轉換效率、降低成本並延長使用年限，現轉換效率已達21～23％。

鈣鈦礦是首先在俄羅斯被發現的鈣鈦氧化物礦物（CaTiO3），屬正八面體結構，後來泛指所有化學結構通式為ABX3的晶體材料。早期因其抗磁特性，常被用於超導體的研究，但2009年日本科學家發現鈣鈦礦具有優越的光電轉換率、合成工藝簡單、可設計性強等優點，進而發明鈣鈦礦太陽能電池，該成就在2013年被《Science》雜誌評選為年度十大科學突破，未來也極有可能問鼎諾貝爾獎。

鈣鈦礦的ABX3晶體結構，A離子位於正中心，被12個X離子包圍成八面體，B離子則位於晶體的角頂，各被六個X離子包圍；這三種離子透過不同元素的排列組合，或調整彼此間的距離，可呈現許多不同的物理特性，應用於太陽能電池時，A一般採用有機胺離子，B採用金屬離子，X採用鹵素離子。當太陽照射鈣鈦礦太陽能板時，鈣鈦礦吸收層主要發揮吸光作用、電洞傳輸層類似P型半導體、電子傳輸層類似N型半導體，內部也會形成電位差，接上外部電路後可將電流導出。

鈣鈦礦太陽能電池吸收光子後，其電子與電洞較容易分離，且其傳播距離長，代表光子被吸收轉為電能的機率更高，目前實驗室的理論轉換效率可達31～33％，超越矽晶太陽能電池的理論極限值。另因其配方可調整，生產成本僅矽晶太陽能電池一半，且鈣鈦礦可吸收光的範圍更大，可使用於低光線環境，亦不像矽晶須有一定厚度，因此可採薄膜印刷生產，重量輕且柔軟，可裝置於建築物外牆、窗戶、車頂等傳統「矽型」無法設置的場所，或可與矽晶太陽能板疊層獲取更高的轉換效率。過去具有相似特性的薄膜太陽能因轉換效率過低、成本過高等問題，致市場占有率節節敗退到僅剩5％，未來若鈣鈦礦發展順利，局面應會大幅翻轉。

但鈣鈦礦也面臨各樣困難需克服，首先，鈣鈦礦對環境十分敏感，溫度、濕度、光照及電路負載等都會導致鈣鈦礦的分解和效率降低，且目前對降解的機制還沒有很清楚的掌握，在大面積的生產技術也還需要優化；另其耐用年限較短（約十年），不及矽晶電池的20至30年。整體而言，鈣鈦礦的化學分子穩定度與製程成熟度上仍需持續投入研發，亦還未見大型廠商投入量產製程，亟待更多廠商共同參與開發及行業標準建立。

展望未來，預期鈣鈦礦太陽能的市場占有率應會逐漸擴大，可與矽晶太陽能分庭抗禮，各國也正加快研發腳步。日本首相岸田文雄近來宣布，將在2030年前推廣「可彎曲太陽能電池」政策，目標是在2040年將供應量提高至現有的六倍左右，用於貼在建築物的窗戶或彎曲的車體上，以協助太陽能產業發展並降低使用傳統電力成本，鈣鈦礦太陽能的發展將是重中之重。

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