東京大學全鈣鈦礦 2 接合太陽能電池達成 30.2% 轉換效率
- 6月8日
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以正式寬能隙頂電池結合反式窄能隙底電池，為輕量、柔性與高效率鈣鈦礦太陽能技術提供新路徑
東京大學發布研究成果，宣布其研究團隊以全鈣鈦礦 2 接合 4 端子光譜分割型太陽能電池，達成 30.2% 的光電轉換效率。這項成果的重點，不只是效率數字跨越 30% 門檻，而是研究團隊採用「正式寬能隙頂電池」與「反式窄能隙底電池」組合的方式，成功驗證全鈣鈦礦多接合太陽能電池的另一條高效率技術路線。
基礎研究突破，不等同於商業化量產
本次成果應被正確理解為高效率元件設計與材料成膜技術的基礎研究突破，並非代表產品已進入量產或商業化應用階段。東京大學新聞稿指出，該成果有助於未來推動可搭載於 EV 與電動航空機的第三代超高效率大面積鈣鈦礦太陽能電池，但目前仍屬研究成果，後續仍需進一步發展電池貼合技術、大面積製程、元件穩定性與可靠封裝等工程能力。
採用 2 接合 4 端子光譜分割設計
這項研究採用的是「光譜分割型 2 接合 4 端子太陽能電池」，並非傳統兩端子直接串接的疊層太陽能電池。所謂 4 端子，是指寬能隙電池與窄能隙電池各自具有正負電極，可分別輸出電力；而光譜分割型設計則是利用光束分光器，將不同波長的光分配給不同能隙的電池吸收。透過這種設計，較短波長、高能量的光可由寬能隙頂電池處理，較長波長的光則由窄能隙底電池吸收，以提升整體太陽光光譜利用率。
過去全鈣鈦礦多接合太陽能電池多採用反式寬能隙電池與反式窄能隙電池堆疊的方式，但這類作法通常需要一次形成約 13 層薄膜，對大面積化與良率控制形成挑戰。東京大學此次採用不同策略，將約 5 層薄膜構成的正式寬能隙頂電池，與約 5 層薄膜構成的反式窄能隙底電池分別製作，再於最後階段組合。這樣的設計可讓兩種電池各自進行最佳化，也有助於提高製程整合彈性。
材料關鍵｜FAPbI₃ 奈米粒子作為種晶改善薄膜性能
本次研究的材料關鍵，是將 FAPbI₃ 奈米粒子作為種晶，應用於正式寬能隙頂電池的光吸收層成膜。FAPbI₃ 是鈣鈦礦材料的一種，但其結晶控制並不容易，過去要形成均一性高、性能穩定的薄膜具有挑戰。研究團隊先以熱注入法合成高結晶性的 FAPbI₃ 奈米粒子，再將其導入兩步法鈣鈦礦薄膜形成過程，成功提升頂電池用 FAPbI₃ 薄膜性能，進一步帶動整體元件效率提升。
效率數據｜775 nm 分光條件下達成最大 30.2%
根據東京大學公布的實驗結果，在使用 775 nm 光束分光器的條件下，該全鈣鈦礦 2 接合 4 端子光譜分割型太陽能電池達成最大 30.2% 光能轉換效率。這代表研究團隊不僅改善了單一鈣鈦礦吸收層或單一電池效率，也完成頂電池、底電池與分光系統之間的整合驗證。更精確地說，這項成果是以「正式寬能隙頂電池與反式窄能隙底電池組合」的方式，在此類架構中首次觀測到超過 30% 的轉換效率。
全鈣鈦礦多接合技術仍具高效率潛力
這項研究由東京大學先端科學技術研究中心瀨川浩司資深研究員、內田聰特任教授、張維娜特任研究員，以及研究當時為東京大學大學院學生的伊藤螢等研究人員共同推動。研究成果已刊登於美國化學會旗下期刊 ACS Omega，論文題名為《All-Perovskite Four-Terminal Spectral Splitting Solar Cells of 30% PCE with FAPbI₃ Wide-Bandgap Perovskite Fabricated by Nanoparticle Technology》。
對鈣鈦礦產業而言，此成果具有三項重要意義。第一，它再次證明全鈣鈦礦多接合太陽能電池具備突破 30% 效率的發展潛力。第二，它提出正式寬能隙頂電池與反式窄能隙底電池的組合方式，為全鈣鈦礦高效率元件設計提供不同於傳統反式堆疊的新選項。第三，FAPbI₃ 奈米粒子種晶成膜技術顯示，結晶控制、薄膜均一性與界面品質仍是推動鈣鈦礦電池效率提升的核心關鍵。
貼合技術與大面積化將是後續挑戰
東京大學新聞稿指出，目前該研究仍採用光束分光器實現光譜分割型 2 接合 4 端子架構；未來若能進一步發展兩個電池的貼合技術，將有機會朝向大面積、輕量且柔性的高效率太陽能電池發展。不過，若要從實驗室成果走向實際應用，仍需面對大面積成膜均勻性、長期穩定性、模組封裝、戶外可靠性與製造良率等關鍵課題。此次 30.2% 的研究成果，為全鈣鈦礦高效率太陽能電池提供重要技術參考，也讓次世代鈣鈦礦光伏應用的發展方向更加明確。 參考文章:
【活動資訊】
活動日期： 115/07/24 (五) 09:30-17:30 (09:00 起開放入場)
地點： 中央研究院南部院區 國際會議廳 (台南市歸仁區歸仁十三路一段 100 號)
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主辦單位： 臺灣鈣鈦礦研發及產業聯盟、中央研究院關鍵議題研究中心
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