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2050淨零碳排/再生能源─鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦的誕生

提及第三代太陽能電池的關鍵技術—「鈣鈦礦」,我們必須先了解它的歷史和演變。鈣鈦礦,即Perovskite,是一種化合物結構的統稱。早在1839年,俄羅斯礦物學家列夫‧佩羅夫斯基(Lev Perovski)在一次對烏拉爾山區礦物的調查中,偶然發現了一種未知的礦物。這種礦物在化學成分和結構上與當時已知的礦物有顯著不同,因此,這一新發現的礦物被以佩羅夫斯基的姓氏命名。


最初,「鈣鈦礦」這個名稱指的是鈣與鈦的氧化物CaTiO3,其結構呈正八面體。然而,隨著時間的推移,「鈣鈦礦」這個詞漸漸泛指了所有具有化學結構通式為ABX3的晶體材料。直到2009年,日本化學家宮坂力教授發現鈣鈦礦具有巨大的電池應用潛力,他成功發明了世界上第一個鈣鈦礦太陽能電池,開啟了鈣鈦礦電池發展的新紀元。這一重大發明也讓他成為了諾貝爾化學獎的有力候選人。

圖片來源:台灣鈣鈦礦科技-鈣鈦礦結構


鈣鈦礦太陽能電池的發展路徑

隨著各國研究人員投入鈣鈦礦太陽能電池發展,鈣鈦礦太陽能電池的發電效率已在短短十餘年內獲得長足進步。鈣鈦礦的理論最高轉換效率達33%,高過矽晶太陽能的29%,鈣鈦礦太陽能電池之發電效率雖在2012年僅10.9%,但在10年後的今天,2023年鈣鈦礦的研究室發電效率已突破26%。

圖片來源:台灣鈣鈦礦科技:鈣鈦礦太陽能電池轉換效率演進


除了創電效率上有著比矽晶太陽能更高的潛力,鈣鈦礦太陽能電池還有諸多特色,詳述如下:

1. 製程相對簡單

以矽晶作為太陽能電池原材料時,生產者為了減少晶格裡的缺陷數量,必須以900℃以上之高溫處理,再導入半導體真空高溫製程才能製作二極體太陽能電池,工序繁瑣且耗能。鈣鈦礦太陽能電池以薄膜塗佈的方式製作,製造工序相對簡單。


2. 大面積生產且可撓

比起矽晶太陽能電池,鈣鈦礦能做出大面積的太陽能電池,甚至是塗佈在各種基材上。也因此鈣鈦礦可以做出可撓的太陽能電池,重量上也比矽晶太陽能板輕,應用範圍更加廣泛。

圖片來源:台灣鈣鈦礦科技:軟性鈣鈦礦太陽能電池


1. 可透光

矽晶太陽能板為不透光材質,目前在應用層面多作為屋頂用途,若建設於農地和魚塭上,將影響太陽能板下方的作物及魚苗生態,這也是目前農電/魚電場域最有爭議之處。鈣鈦礦太陽能電池的可透光性,有機會在不影響作物和魚苗生長的前提下發展農電及漁電共生。

圖片來源:台灣鈣鈦礦科技

2. 室內弱光發電

矽晶太陽能電池主要以吸收較低能量的長波段光線為主,在充足太陽光照的場域才能發揮矽晶圓的創電能力;鈣鈦礦太陽能電池可透過材料的調配,達到吸收全波長或特定波長之特性,這項特性也讓鈣鈦礦太陽能電池不僅可在戶外創電,在室內弱光環境下亦可發揮創電能力。


3. 碳排放量更少

矽晶在拉單晶的過程中需要900℃以上的高溫工藝,而鈣鈦礦太陽能電池在製造時的工藝溫度不超過180℃。生產矽晶的單瓦能耗為1.52KWh,而鈣鈦礦單瓦能耗為0.12KWh,不到晶矽的1/10。相較矽晶太陽能電池,在生產階段鈣鈦礦太陽能電池可大幅節省能源消耗與碳排。

資料來源:協鑫光電-矽晶V.S.鈣鈦礦太陽能電池工藝溫度及生產能耗


電池回收部份,美國康乃爾大學研究團隊於2021年指出,若為鈣鈦礦太陽能電池建立回收機制,可降低72.6%一次性能源消耗和減少71.2%碳足跡,這將連帶使得鈣鈦礦太陽能電池在能源回收期所產生的碳足跡減為每度電13.4公克CO2e,回收期僅須1個月。與之相對的矽晶太陽能板回收期碳排為每度電22.1~38.1公克CO2e,回收期為1.3-2.4年。


鈣鈦礦太陽能電池在商業領域之應用

了解鈣鈦礦太陽能電池之特性後,我們可以思考當鈣鈦礦太陽能電池成功商業化的未來,究竟會為我們的生活帶來哪些改變?以下將從建築整合太陽能(Building-integrated photovoltaics,BIPV)、車載整合太陽能(Vihicle-integrated photovoltaics,VIPV)、農漁業、自供電3C產品、AIoT五個方面探討。


1. BIPV

傳統的矽晶太陽能板受不透光特性所限,僅能建造在平面或是大樓樓頂,由於太陽能板為水平舖設,這也導致矽晶太陽能電池的創電時段集中於正午時段。鈣鈦礦太陽能電池因可透光特性,可在大樓的四個立面進行鋪設,在創電面積上將遠超矽晶太陽能電池。不僅如此,鈣鈦礦太陽能電池在技術上可做到雙面塗佈,除了可接受室外光源外,室內光源亦可用來發電,進一步增加創電量。當大樓的玻璃帷幕與鈣鈦礦結合,低碳或零碳建築願景將不再遙不可及。

圖片來源:Saule Technologies-鈣鈦礦太陽能電池結合玻璃示意


2. VIPV

歐盟明訂2035年起禁止所有碳排放汽車在地銷售,當一般油車轉換到新能源車的下一階段將會面臨的挑戰即是充電問題,電動車結合太陽能是未來的趨勢。日本汽車大廠豐田汽車與本田汽車皆已開始著手研究電動車結合鈣鈦礦太陽能電池的可行性。不只如此,若未來在建置電動車充電站與戶外車棚時結合鈣鈦礦技術,便可為人類在享受汽車帶來的移動便利性時,也降低對環境造成之危害。

圖片來源:Solar Innova-車用太陽能電池示意


3. 農漁業

為了維持農漁民生計、提升收入,以及增加綠能發電,政府推動在農地及魚塭上鋪設太陽能板,由於矽晶太陽能板不透光之特性與基材高比例反射光源之問題,讓現有的農電共生不僅作不到共生,反而留下爭議。爭議有三:破壞地貌、縮減可耕地面積、光線反射造成光汙染。

植物生長偏好紅光及藍光,且生長過程無須高照度。鈣鈦礦太陽能可以調整透光率,讓農地兼顧發電的同時,也讓底下的作物得到良好的生長環境,真正落實農電共生之立意。魚塭養殖上亦是如此,不僅供應養殖過程必要的陽光,漁民甚至透過鈣鈦礦電池透明度,選擇適合生長之魚苗。

圖片來源:台灣鈣鈦礦科技-鈣鈦礦太陽能溫室示意圖


4. 自供電3C產品

由於鈣鈦礦太陽能電池可弱光發電的特性,非常適合將鈣鈦礦太陽能電池整合進低功耗產品中,包含遙控器、智慧手錶、鍵盤滑鼠等項目。在商業領域部分,將鈣鈦礦太陽能電池結合電子紙技術,便誕生了自供電電子桌牌、自供電電子標籤等使用情境零碳排的產品。

圖片來源:台灣鈣鈦礦科技-自供電電子紙桌牌


5. AIoT

AIoT的無線特色,不只用於資料傳輸,更有機會用於物聯網場景。舉凡森林中的火災警報器、Ubike 2.0的太陽能充電樁、農業場域的溫溼度測量儀、自供電公車站牌、自供電戶外廣告看板等,當不在受電線與電源所侷限時,不僅可以大幅降低建置成本,還能簡化養護流程,讓民眾與政府部門以更合理的價格享受萬物聯網的便利性。


鈣鈦礦與矽晶太陽能之合作─疊層太陽能的應用

由於鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池創電吸收的光譜有所區別,鈣鈦礦主要吸收高能量短波,矽晶吸收低能量長波,將鈣鈦礦與矽晶圓堆疊起來可以達到更高的轉換效率。目前美國國家可再生能源實驗室(NREL)已測得鈣鈦礦堆疊矽晶太陽能電池的發電效率記錄為33.7%。顯見鈣鈦礦太陽能電池不僅非矽晶太陽能版的競爭對手,未來結合這兩種跨界太陽能技術,更有望增加太陽能電池的發電效率。

另一方面,建設太陽能電廠需要大量土地資源。由於土地資源稀缺,隨著土地取得的成本日益增加,在有限的土地面積上提升創電效益,將有助於將光電產業推往下一個里程碑。


鈣鈦礦太陽能電池產業的國際趨勢

目前世界多個國家已在鈣鈦礦太陽能電池的研發及邁向商業化準備投入大量資源。

1. 日本

作為發明鈣鈦礦太陽能電池的國家,日本在政策的扶持上非常積極,日相岸田於今年4月宣布日本將在2030年前普及「可彎曲太陽能電池」,日企也將鈣鈦礦太陽能電池的研發重心放在可彎折鈣鈦礦太陽能電池、BIPV、VIPV的應用,包含松下、積水化學、TOSHIBA等大廠已投入可彎曲式太陽能電池的研發。因日本為鈣鈦礦太陽能電池的原物料之一「碘」的主要生產國,若能自行生產鈣鈦礦太陽能電池,將擺脫目前矽晶太陽能電池過於依賴中國之處境。

圖片來源:積水化學-軟性鈣鈦礦太陽能電池生產示意圖


同樣在今年4月,於北海道札幌召開的7國集團(G7)氣候能源環境部長會議,成員國共同發布倡議推動鈣鈦礦太陽能電池之革新技術與浮體式海上風力發電並列未來潔淨能源的革新技術。此次是鈣鈦礦太陽能技術之具體名稱首次納入國際峰會重要聲明中,顯見鈣鈦礦太陽能電池技術的發展潛力不光為主要工業國集團看好,更有助於達成聯合國2050淨零碳排的永續目標。



1. 美國

美國對鈣鈦礦太陽能電池的應用領域著墨甚深,美國國家太空總署(NASA)研究發現鈣鈦礦太陽能的太空表現令人印象深刻,太空中的鈣鈦礦太陽能電池之發電效率比地球還好,效率衰退率更低,推動人類往星際旅行的夢想邁進一大步。


在產業面,美國之光電產業對於鈣鈦礦-矽晶疊層太陽能技術著墨甚深;微軟創辦人比爾蓋茨投資的美國CubicPV於今年6月宣布籌得1.03億美元資金,投入鈣鈦礦-矽晶疊層太陽能電池技術的研究。美國新創公司Caelux致力於開發鈣鈦礦-矽晶疊層太陽能電池,由於其在技術上的領先,8月獲得新加坡主權基金淡馬錫以及其他清潔能源權威公司投資。此外美國光電企業亦已啟動跨國併購,加速國內鈣鈦礦太陽能產業發展。美國薄膜太陽能電池模組製造商First Solar 5月斥資8000萬美元收購瑞典鈣鈦礦技術領導廠商Evolar AB,期望透過併購加強公司在薄膜太陽能光電能領域的全球領導地位。


2. 中國

在學術研究領域,中國自2019年發表超過5,500篇有關鈣鈦礦太陽能電池的國際學術論文,數量位居第一。商業領域上,由於中國為全世界最主要的矽晶太陽能電池生產國,對於鈣鈦礦電池與矽晶太陽能電池疊層以及大面積鈣鈦礦電池生產上投入大量資源。對於鈣鈦礦太陽能生產線的規模擴大,許多中國創投及風險投資公司皆汲汲參與融資,包含協鑫光電、纖納光電與極電光能等三家光電企業已宣告將投產100MW甚至是GW級別的鈣鈦礦太陽能電池生產線。


圖片來源:網路-極電光能1GW鈣鈦礦光電生產工廠示意圖


除了大規模投產外,中國在鈣鈦礦-矽晶疊層太陽能技術的效率突破亦著力甚深,隆基綠能於今年6月實現了鈣鈦礦-矽晶疊層太陽能電池33.5%的轉換效率。



台灣鈣鈦礦太陽能產業機會

台灣的太陽能產業曾有過風光的一面,昔日太陽能產業曾登上台股股王,但由於矽原物料價格波動大以及無法維持先進者優勢,在競爭激烈下只能將舞台讓給其他國家。


鈣鈦礦太陽能產業或將是台灣立足世界光電產業舞台的契機。台灣鈣鈦礦科技(TPSC)宣布其A4 size鈣鈦礦太陽能電池試產線「水星一號線」已穩定投片。同時在今年5月號召國內相關產學研各界共同籌組「財團法人臺灣鈣鈦礦研發及產業聯盟(TPRIA)」。期望藉由聯盟的成立,整合材料、技術、設備以及應用開發端,加速產業的發展,使得台灣的第三代太陽能產業在國際間保有競爭優勢。


圖片來源:臺灣鈣鈦礦研發及產業聯盟提供-第三屆台灣鈣鈦礦技術暨應用論壇貴賓合影


此外,鈣鈦礦太陽能電池的部分製程與面板產業相近,台灣有世界頂尖的面板生產工藝,轉進新技術,投入鈣鈦礦太陽能電池生產有望協助面板廠商華麗轉型,不僅讓舊廠的產能創造出更大產值,也可提升產品附加價值。


圖片來源:台灣鈣鈦礦科技-台灣鈣鈦礦科技水星一號線生產A4鈣鈦礦太陽能電池


鈣鈦礦太陽能電池商業化的未竟之路

雖然鈣鈦礦太陽能電池在實驗室的創電效益令人驚豔,且未來的運用層面也較矽晶太陽能電池廣泛,然而鈣鈦礦太陽能電池在實現商業化的道路上仍有難題待解決。


1. 鈣鈦礦吸收層的降解

由於鈣鈦礦材料對濕度相當敏感,當處於有水氣環境下,隨著濕度提高時,鈣鈦礦層將發生降解,降低鈣鈦礦太陽能電池之創電效益,因此封裝技術格外重要,對此國內已有許多化材大廠投入資源開發,也有不錯的成果。


2. 面積放大的挑戰

雖然鈣鈦礦太陽能電池轉換效率不斷刷新記錄,但皆來自於實驗室小尺寸的成果,面積放大才是真正將技術帶入產業化的關鍵,同時也是對製程技術以及設備的高度挑戰。然而台灣過去在面板產業不同世代線的經驗累積,將有助於鈣鈦礦大面積化的發展。


上述鈣鈦礦電池商業化須解決的問題,皆是新技術開發過程的必經之路。回顧過往人類在發明的道路上,如鋁這種今日隨處可見、價格低廉的金屬,在剛被人類發現時期價格居然比黃金還貴;而在製造工藝提升及大規模量產下,鋁的價格開始迅速滑落至人人皆買得起。隨著各國在政策上的補助以及技術的不斷進步,在不遠的未來,我們將有機會見到光電產業發生如同智慧型手機引起的產業革命,重新定義高效潔淨能源與零碳生活。






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