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議題背景：

2022年9月19日23:00，國際期刊《自然－能源》發布最新研究，〈理解鈣鈦礦太陽能電池微觀結構-性能-性能關係的進展和挑戰〉（Advances and challenges in understanding the microscopic structure–property–performance relationship in perovskite solar cells.）。鈣鈦礦是發展相當快速、轉換率高的太陽能光電轉換材料，但因其相較於矽基太陽能較容易降解，因此矽基太陽能仍是一般裝設太陽能時的大宗。這份最新研究則發現有三種關鍵的微結構，對鈣鈦礦的降解有關鍵影響。研究團隊也呼籲，未來應投注更多資源關注微結構的缺陷，以提高對於鈣鈦礦太陽能電池的微結構、特性與發電效能三者之間關係的理解，並認為這將是未來提升太陽能效率的關鍵。

台灣科技媒體中心邀請專家解析，這個最新發現是否有助於台灣發展更有效率的太陽能模組？

研究原文：Zhou, Y., et. al. (2022). <Advances and challenges in understanding the microscopic structure–property–performance relationship in perovskite solar cells.> Nature Energy.

專家怎麼說？

2022年09月18日
長庚大學化工與材料工程學系教授  李坤穆

鈣鈦礦太陽能電池目前的光電轉換效率已經突破25%，是近來效率提升最快且表現亮眼的新秀太陽能電池。由於部分鈣鈦礦材料在有水氣與氧氣環境下不穩定，因此有人戲稱效率提升越快的電池越不穩定。在過去對於鈣鈦礦不甚了解時的確有此現象，但隨著近年來材料組成優化、發現與抑制結構缺陷及製程最佳化，已經可以製備得到大面積且高品質的關鍵鈣鈦礦層。

本篇文獻中作者提出在鈣鈦礦層中晶界、晶內缺陷與表面三類影響效率與穩定性的微結構，並且整理這三類微結構的具體鑑定與分析方法，以及歸納影響電池效率與穩定性的起因及有效的改善方案，作者也針對重要研究方向提出觀點。未來如果能確實抑制鈣鈦礦中的缺陷形成與分布，對於鈣鈦礦太陽能電池的實用性將會往前大跨一步。

如果鈣鈦礦太陽電池能通過國際標準的各項穩定性測試，以其材料取得方便及製程簡單的特性，大規模商業化後將有助於全球太陽光電再生能源的普及，並且以其特性與市場布局，可以與目前矽基太陽能板進行結構堆疊設計，可以對於太陽光更有效的利用，提升整體發電量。

2022年09月19日
國立陽明交通大學光電工程學系特聘教授兼系主任  陳方中

Q1. 在媒體報導中我們常可以看到，鈣鈦礦太陽能是未來最具潛力的新世代太陽能的評價。且鈣鈦礦太陽能有不需稀有材料、製程相對簡易、可應用範圍廣泛的優點。但台灣目前普遍鋪設的太陽能板都仍以矽基為主，沒有選擇鈣鈦礦太陽能的原因是什麼？台灣目前在鈣鈦礦太陽能的技術進展到哪邊？

鈣鈦礦太陽能電池是目前世界上最受廣泛關注的新一代太陽能技術，有能量轉換效率高及低成本的優勢。然而不論任何優異的太陽能技術若要商業化，一般仍希望是壽命能超過20年，而目前鈣鈦礦太陽能電池面臨最大的挑戰就在於穩定性仍不夠好，所以這也是全世界科學家希望能解決的問題。另外鈣鈦礦太陽能電池的量產技術仍未成熟，雖然也有不少研究人員及商業團隊正努力開發可行的量產技術，但現今鈣鈦礦相關技術多數仍在實驗室階段。不過相信一但這兩大問題獲得可以解決，鈣鈦礦太陽能電池將如同矽基太陽能板一樣會被大眾廣泛使用。

台灣在各大專院校均有不錯的研究團隊在鈣鈦礦太陽能電池此課題上努力，這兩年也看到有業界開始投入研發的工作，台灣的技術進展相較於世界的頂尖團隊大體來說差異不會太大，只是這個研究課題在世界上太過熱門，我國的技術發展能見度相對較低，但若有未來更多資源投入，應該還是相當有機會的。

Q2. 這份研究提到了解微結構有助解決鈣鈦礦太陽能教易降解的問題，有助於解決鈣鈦礦太陽能的限制嗎？克服了降解的問題，是否就能等同有機會發展鈣鈦礦太陽能的大規模場址，或是相關產業？

這份回顧文介紹了鈣鈦礦中常見的微結構以及它們與鈣鈦礦太陽能電池降解過程的關係，若能進一步控制這些微結構確實有機會可以克服降解的問題而提升太陽能電池的壽命。如同先前所提及的，鈣鈦礦太陽能電池面對最大的問題就是壽命還達不到一般商用地要求，所以假使能克服降解的問題，以鈣鈦礦太陽能電池優異的效率，將有機會發展鈣鈦礦太陽能大規模場址，推升此技術的實用性質。

Q3. 如果鈣鈦礦太陽能得以大規模商業化，對於台灣的太陽能發電有什麼樣的幫助？以及有沒有什麼潛在的挑戰？（例如：是否有機會透過在原有的太陽能板上設置鈣鈦礦太陽能，改為複合式的太陽能，增加發電量？或是鈣鈦礦會不會有溶液有毒性影響人體健康或環境的風險？）

如果鈣鈦礦太陽能得以大規模商業化，預計能大幅降低發電成本，也會有更多人願意使用太陽能發電，潛在的挑戰應該是大眾的接受度，例如有不少人關心的毒性。但其實只要建置太陽能電板時遵循規範，並妥善處理廢棄物，使用鈣鈦礦太陽能風險是很低的，連歐盟法規最嚴格的區域都可以使用，所以重要的是生產、建制過程要能符合要求與規範。

2022年09月19日
國立中央大學新世代光驅動電池模組研究中心暨化學系助理教授    陳家原

總體而言，鈣鈦礦太陽能技術自2009年發展至今，實驗室最佳元件的光電轉換效率已達25.7%，此性能足以和單晶矽太陽能電池（效率26.1%）匹敵。此外，鈣鈦礦前驅物[1]的溶液可加工性（Solution processability）也賦予鈣鈦礦與結晶矽等電池技術結合的可能性，目前以兩者一同作為吸光層的堆疊型（Tandem）太陽電池最高效能達可達31.3%。

然而，目前鈣鈦礦太陽電池尚無法實現光電轉換理論極限值（33%），也未能立即大規模商業化的主因，是鈣鈦礦的微結構仍存在缺陷，特別是對於大面積模組的製造而言，能否準確控制微結構更為關鍵。因此，此篇評論性的文章是以鈣鈦礦材料的微結構作為主軸，彙整了近期極具代表性的頂尖研究成果。透過作者們精闢的論述，正在執行相關研究的人員不僅可快速掌握三種微結構（包含晶粒界、粒內缺陷、以及表面）的鑑定方法與控制策略，亦能依指引檢視自身的研究內容，與推動尖端材料和製程技術的創新研發。

此外，文中的精美圖片也可讓初次接觸此研究領域之讀者能清楚理解微結構的類別與重要性。綜觀而言，此文章不僅有助於台灣發展鈣鈦礦太陽能，也利於台灣基於半導體與光學零組件的產業優勢，整合研發新世代量測技術。

Q1. 在媒體報導中我們常可以看到，鈣鈦礦太陽能是未來最具潛力的新世代太陽能的評價。且鈣鈦礦太陽能有不需稀有材料、製程相對簡易、可應用範圍廣泛的優點。但台灣目前普遍鋪設的太陽能板都仍以矽基為主，沒有選擇鈣鈦礦太陽能的原因是什麼？台灣目前在鈣鈦礦太陽能的技術進展到哪邊？

主要原因是鈣鈦礦太陽能技術目前尚須要投入時間與大量資源以克服模組化（大面積化）製程與穩定性的困難、挑戰。具體而言，依據第60期的太陽能電池效率表（Solar Cell Efficiency Tables, Ver. 60）[2]，目前鈣鈦礦太陽能微型模組（面積19.32 cm2）與模組（面積804 cm2）的光電轉換效率紀錄值分別為21.4%與17.9%，對比於小元件（面積0.09597 cm2）的效率紀錄值25.7%，其性能差異極為明顯。且轉換效率隨著面積增加而大幅下降，此突顯模組化製程須有效降低在大面積塗佈鈣鈦礦等材料時，產生的微結構缺陷。另外，誠如此篇文章所提，微結構缺陷也將造成鈣鈦礦材料降解，進而導致模組穩定性不佳。

目前台灣仍有相當多學術研究團隊與相關產業單位正持續投入相關研究，也有不少實驗室宣稱已順利研製出轉換效率達20%以上的小面積元件，另外也有少數團隊聚焦於大面積化或堆疊型（Tandem）電池製程技術的研發，儘管如此，所有研究團隊都需要持續努力以利與國際頂尖單位並駕齊驅。

Q2. 這份研究提到了解微結構有助解決鈣鈦礦太陽能教易降解的問題，有助於解決鈣鈦礦太陽能的限制嗎？克服了降解的問題，是否就能等同有機會發展鈣鈦礦太陽能的大規模場址，或是相關產業？

透過剖析鈣鈦礦材料的微結構（尤其是在電池運作過程中同步、即時量測微結構的變化）確實可為克服鈣鈦礦材料降解的問題提供明確的指引。然而，根本解決之道仍是新材料與製程技術的研發。換句話說，了解微結構相當於先釐清、確認問題的所在，以利後續新材料與製程技術的研發。若元件（甚至模組）內的鈣鈦礦等材料的微結構皆能有效控制，以顯著提高穩定性，且台灣等先進國家的政府單位願大力支持，鈣鈦礦太陽能產業的蓬勃發展勢必能水到渠成。

Q3. 如果鈣鈦礦太陽能得以大規模商業化，對於台灣的太陽能發電有什麼樣的幫助？以及有沒有什麼潛在的挑戰？（例如：是否有機會透過在原有的太陽能板上設置鈣鈦礦太陽能，改為複合式的太陽能，增加發電量？或是鈣鈦礦會不會有溶液有毒性影響人體健康或環境的風險？）

目前鈣鈦礦太陽能技術尚有不少挑戰須一一克服，包含上述所提的模組化製程與穩定性的困難、鈣鈦礦材料本身和製程中使用之有機溶劑的毒性、來自於其它太陽能技術的競爭等。若未來鈣鈦礦太陽能技術得以大規模商業化，此意謂上述挑戰皆已順利找到突破點，此時若能搭配完善的電網儲能技術，台灣的太陽能發電佔比應能擺脫目前困境。