高轉(zhuǎn)換效率的703cm²可彎曲薄膜型鈣鈦礦太陽(yáng)能發(fā)電面板等材料的出現(xiàn)，將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)推向新里程碑，也讓太陽(yáng)能發(fā)電，擔(dān)負(fù)著未來潔淨(jìng)能源的發(fā)電重任。

太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)創(chuàng)新方面，過去10多年來，在全球的產(chǎn)學(xué)業(yè)界投入了巨大的研究能量下，使得技術(shù)研發(fā)與材料方面不斷出現(xiàn)新成果；例如SHARP衛(wèi)星用化合物太陽(yáng)能電面板，轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)率37.9%，而在單晶矽太陽(yáng)能發(fā)電面板方面，KANAKA轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)26.7%，以及東芝在今（2021）年9月發(fā)表了全球達(dá)到15.1%的最高轉(zhuǎn)換效率的703cm²可彎曲薄膜型鈣鈦礦太陽(yáng)能發(fā)電面板等，不斷地將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)推向新里程碑，也讓太陽(yáng)能發(fā)電逐漸成為不可或缺的發(fā)電技術(shù)，擔(dān)負(fù)著未來潔淨(jìng)能源的發(fā)電重任。

太陽(yáng)能發(fā)電成本在過去8年內(nèi)降低了1/4

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2020年可再生能源可發(fā)電量為2,994百萬瓩（Giga Watt；GW），約佔(zhàn)總發(fā)電量的38.4%，但到2030年時(shí)，占總發(fā)電量比例則將大幅度成長(zhǎng)68.9%，達(dá)到10,293百萬瓩。而在2050年更突破200億瓩，達(dá)到26,568百萬瓩，更是佔(zhàn)總發(fā)電量的79.5%（圖1）。

圖1 : 全球電力設(shè)備發(fā)電量統(tǒng)計(jì)（累積、發(fā)電源別） （source：國(guó)際能源署（IEA）；智動(dòng)化整理）

在太陽(yáng)能設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模方面，在2020年約為127 GW，但預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到630GW（圖2），並且往後每年都呈現(xiàn)成長(zhǎng)。在各國(guó)能源政策積極推動(dòng)大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電資金投入下，在建置成本方面，已經(jīng)下降到接近火力發(fā)電的水準(zhǔn)，這可以從資本投資和運(yùn)營(yíng)/維護(hù)等，與發(fā)電相關(guān)的各種成本計(jì)算的均化能源成本（Levelized Cost of Energy；LCOE）來觀察。LCOE已經(jīng)從2012年的217美元/MWh（兆瓦時(shí)），來到2020年的57美元/MWh，也就是說在過去的八年減少了大約四分之一（以全球平均為基礎(chǔ)）。觀察未來30年成本下降速度，雖然下降的速度會(huì)比以前慢，但仍舊會(huì)呈現(xiàn)進(jìn)一步下降的態(tài)勢(shì)。而地區(qū)方面來看，印度和中國(guó)的LCOE也略低於歐洲和美國(guó)。

圖2 : 新建置太陽(yáng)能發(fā)電量與成本 （source：國(guó)際能源署（IEA）；智動(dòng)化整理）

推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電成本與建置成本不斷下降的主要原因，除了各國(guó)政府的新能源政策，以及人們對(duì)於環(huán)保概念意識(shí)的強(qiáng)化之外，更重要的是，不斷被突破的太陽(yáng)能發(fā)電轉(zhuǎn)換效率，以及持續(xù)發(fā)表的新材料與架構(gòu)。

研發(fā)新材料獲得更高的轉(zhuǎn)換效率成為研究重點(diǎn)

大多數(shù)人都認(rèn)為，太陽(yáng)能發(fā)電是利用玻璃面板上的結(jié)晶矽材料，將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能，但是矽材料只能吸收紅外或是近紅外光後，轉(zhuǎn)換成電力，除此之外的其他光波長(zhǎng)只能轉(zhuǎn)換成熱，而這些熱又會(huì)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)帶來一些困擾。

另一個(gè)重點(diǎn)是，結(jié)晶矽太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也逐漸達(dá)到極限，因此如何研發(fā)出新光電轉(zhuǎn)換材料，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，也就成了全球太陽(yáng)能的業(yè)者與學(xué)術(shù)專家的研究重點(diǎn)。

另外，雖然與其他材料相較，結(jié)晶矽材料的轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)高，已經(jīng)可以超過25%，不過其材料和製造成本相對(duì)也較高，不容易大幅降低。而結(jié)晶矽材料的太陽(yáng)能電池，也因?yàn)槭芟揿恫牧媳旧淼奶匦裕瑹o法彎曲且厚度難以薄化，因此會(huì)有安裝地點(diǎn)受限的局限性。事實(shí)上，將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)能電池有多種類型，這取決於採(cǎi)用何種原材料來製作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

除了上述的結(jié)晶矽材料之外，目前被重點(diǎn)研究的還有化合物材料、薄膜太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池……，以及在2009年發(fā)表的鈣鈦礦材料。這其中又以鈣鈦礦材料的可彎曲性，與超過35%的超高光電轉(zhuǎn)換能力最受關(guān)注。

最初發(fā)表利用鈣鈦礦作為太陽(yáng)能發(fā)電材料是桐蔭橫濱大學(xué)的宮?力教授，而用來吸收太陽(yáng)光的鈣鈦礦晶體化學(xué)式為NH₃CH₃PbI₃，其構(gòu)造如圖3，其外表為深褐色，對(duì)於可見光的利用率相當(dāng)高。

宮?教授在2009年第一次發(fā)表論文時(shí)，由於轉(zhuǎn)換效率只有3.8%，並不被太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)所關(guān)注。隨後，宮?教授與英國(guó)牛津大學(xué)共同研究下，在2012年實(shí)現(xiàn)了超過10%的轉(zhuǎn)換效率後，迅速獲得全球太陽(yáng)能業(yè)者的興趣，並且積極投入與鈣鈦礦相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，例如在2017年韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所（KRICT）在小面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池上，更將轉(zhuǎn)換效率提高到22.7%，已經(jīng)達(dá)到可媲美結(jié)晶矽的轉(zhuǎn)換能力。

圖3 : 鈣鈦礦晶體構(gòu)造（source：日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)）

鈣鈦礦材料可在低溫下完成鍍膜製程

利用鈣鈦礦來製作太陽(yáng)能電池時(shí)，需要將鈣鈦礦材料形成薄膜（Thin Film），然後再進(jìn)行鍍膜製程。在製作過程中，不需要像矽晶為了減低晶格裡的缺陷數(shù)量，必須長(zhǎng)時(shí)間在攝氏900度的高溫下進(jìn)行，同時(shí)也不需要真空環(huán)境，在一般環(huán)境裡就可以製作。

首先，將含有原料的溶液塗佈在二氧化鈦、氧化鋁等金屬氧化物的薄膜上，形成過氧化物晶體薄膜，這樣的薄膜有一個(gè)特點(diǎn)，能夠吸收波長(zhǎng)為800奈米的可見光，吸收光子後，可以很快地分離成電子與電洞，傳送到電極而產(chǎn)生電流。由於鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的製程相當(dāng)容易，因此全球各機(jī)構(gòu)都積極地展開相關(guān)研究。

不過，在此製程下的過氧化物薄膜技術(shù)，有個(gè)重要的問題需要被克服，那就是在製作過程使用了有毒材料。因?yàn)樵谛纬蛇^氧化物薄膜的過程中，需要使用到鉛這樣的元素，但由於鉛是一種有毒金屬，即使所使用的鉛量非常小，還是會(huì)對(duì)製作過程或是未來使用後回收等，產(chǎn)生令人困擾的問題。

因此，目前對(duì)無鉛過氧化物的研究，各國(guó)的業(yè)者或研究機(jī)構(gòu)也都在加緊進(jìn)行中。例如，最近中國(guó)與英國(guó)科學(xué)家合作研發(fā)出室內(nèi)用、更加環(huán)保的無鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)-啟發(fā)式鈣鈦礦材料（perovskite-inspired materials；PIM），結(jié)構(gòu)與典型滷化鉛鈣鈦礦相似，雖然已經(jīng)不能含有毒物質(zhì)，但由於能隙較大，在戶外的陽(yáng)光下使用時(shí)，轉(zhuǎn)換效率只有1%左右。不過，當(dāng)在室內(nèi)使用時(shí)，轉(zhuǎn)換效率可以提高到4%~5%左右，雖然效率相當(dāng)?shù)汀⒌芽擅銖?qiáng)在室內(nèi)應(yīng)用。

在彎曲下仍可保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)換性能

除了超高的轉(zhuǎn)換效率外，鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)還有一項(xiàng)特點(diǎn)，那就是矽結(jié)晶材料難以達(dá)到的可彎曲性。宮阪教授團(tuán)隊(duì)對(duì)這種柔性太陽(yáng)能電池進(jìn)行了100次以上的彎曲試驗(yàn)，其轉(zhuǎn)換性能仍舊保持相當(dāng)穩(wěn)定，相信是一項(xiàng)極具發(fā)展前景的技術(shù)。

不過，在可商品化部分，事實(shí)上，東芝早在2018年6月就領(lǐng)先其他的機(jī)構(gòu)，發(fā)表了703cm²鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。而在2021年9月，東芝進(jìn)一步的對(duì)外公布了最新的可彎曲薄膜鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)，這次的發(fā)表除了保持這個(gè)世界上最大的尺寸的同時(shí)，加快了成膜過程，也將轉(zhuǎn)換效率維持在15.1%。也就是說，這樣的轉(zhuǎn)換效率、製程技術(shù)與面積都已經(jīng)達(dá)到了商用化的程度。

就單純轉(zhuǎn)換效率而言，不是東芝而是Utomolight，透過塗佈於玻璃基板，可讓轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.1%，松下也達(dá)到了17.9%。不過，以多應(yīng)用為目標(biāo)發(fā)展成可彎曲的薄膜技術(shù)前景下，採(cǎi)用玻璃基板的Utomolight和Panasonic就難以滿足這樣的期待。

換句話說，薄膜特性和高轉(zhuǎn)換效率這兩點(diǎn)都很重要，因此在該領(lǐng)域，東芝不僅實(shí)現(xiàn)了世界上可彎曲性能力下的最高轉(zhuǎn)換效率外，更將太陽(yáng)能電池尺寸保持在703cm²的大面積，而超越其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（表1）。