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作者：林佩瑩博士後研究員　（本院關鍵議題研究中心）

林佩瑩博士畢業於國立成功大學光電科學與工程學系，鑽研鈣鈦礦領域逾十年，並曾任矽晶太陽能廠研發工程師。現任關鍵中心博士後研究員，結合跨領域實務經驗，致力於高效率與穩定性並重鈣鈦礦／矽基疊層電池與模組開發。

認識太陽能發電

當我們談到「能源」，腦中可能浮現火力發電的煙囪、水力發電的大壩或核能電廠。火力發電利用燃燒煤炭或天然氣來燒開水，用高溫高壓的蒸汽推動渦輪機發電；水力發電利用高處的水往下沖，以水的動能推動渦輪機發電；核能發電利用核分裂產生巨大熱能來燒開水，以蒸汽推動渦輪機發電，世界上大部分的電力來源都是自於動能轉換成電能。

但有一種能量來源，它無所不在，那就是太陽。在2050年淨零排放的全球浪潮下，「高效太陽能」成為中研院「臺灣淨零的科技解方」淨零5支箭：去碳燃氫、高效太陽光電、海洋能、地熱能及生質碳匯的其中一項研發主力。

然而，許多人對太陽能的第一印象可能有點模糊。太陽能板是不是一塊儲電的電池？屋頂上整排太陽能板是不是充電設備？在討論高效太陽能技術前，必須釐清：太陽能如何把陽光變成電？太陽能發電更精確地說法是「光伏發電」（Photovoltaic），當陽光照射到特定的半導體材料（也就是太陽能晶片）上，光子被吸收並激發出電子，使其在材料內部流動，這種電子的定向流動稱為電流，進而產生電能。

這過程不需要這過程不需要蒸汽、燃料、渦輪機，唯一的燃料就是陽光中的光子。因此太陽能電池（Solar cell）不是電池（Battery），是產生能量（發電）的裝置，就像火力、水力、風力、核能一樣，都是將自然界中的能量，轉換成可用電力，為了讓太陽能被有效利用，我們需要一整套系統：

一、太陽能晶片（Solar wafer/ Cell）：太陽能電池片與電腦或手機使用的晶片同樣來自矽晶圓，只是後續加工不同。電子產品的晶片用來處理資訊，需要極高純度；而太陽能晶片是用來吸收光、產生電，純度不需那麼高。晶片會先經「摻雜」形成 p-n 接面，再鍍膜、鈍化，提升吸光量與減少反射。因此厚度約 200 μm 的晶片呈深藍或黑色，是太陽能發電的核心單元，稱為電池片(cell)。

二、太陽能板（Solar Panel / Module）：一片20 × 20公分的電池片產生的電量不大，因此需將60或72片晶片焊接串聯，再以玻璃、EVA高分子膜、背板封裝，形成一大片太陽能板（模組），使輸出電量足以使用。

三、太陽能系統（Solar System）：由於太陽能板產生的是直流電（DC），而日常用電是交流電（AC），因此需由逆變器轉換，再加上支架、線材與配電設備，形成可併網發電的完整系統。

矽基電池的天花板與疊層電池的誕生

數十年來，全球的太陽能發電 95%以上都依賴剛剛提到的矽基太陽能電池，這項技術非常成熟、可靠，而且成本已經大幅下降。然而，如今卻面臨著一個無法迴避的物理天花板。

根據肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser Limit），單一種半導體材料(例如矽)所能達到的理論最高效率，大約在29.5%左右。在現實世界中，考量各種損耗，市售的高效矽電池，例如：TOPCon或HJT，目前認證效率大約在 27% 左右，已經相當接近這個天花板。為什麼有這樣的限制呢？原因在於太陽光的能量分布。陽光包含從紫外線、可見光到紅外線等多種波長，但矽只能吸收近紅外光的部分，而其他多餘的光（能量）無法轉化為電力，只能變成熱，無法被利用。這意味著單靠傳統矽電池，已難以在有限面積上獲得更高發電量。

科學家提出疊層太陽能電池（Tandem Solar Cell）以突破物理極限的那道牆，根據連接方式不同，疊層電池主要分為兩種：2T（Two-Terminal）二端點結構上下電池共用電極，在單片裝置中通過中間連接層（ICL）串聯連接兩個子電池，完成電流匹配而電壓為串連的兩個子電池相加，理論上可實現超過40%的效率，但製程難度較高。4T（Four-Terminal）四端點結構上下電池採完成電壓匹配的並聯方式，各自獨立運作適合初期研究或異質材料結合。這兩種架構都在全球研究機構與產業界持續發展中。

在各種疊層組合中，鈣鈦礦／矽基疊層太陽能電池（Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell）最受全球青睞，如圖1（a）所示。此類電池結合了矽基電池的成熟技術與鈣鈦礦材料的卓越光學特性，有望突破當前單接面電池的效率瓶頸，大幅提高光電轉換效率，並推動太陽能發電系統的小型化和高效化。

2024年第2季，中研院南部院區關鍵議題研究中心（RCCI）成立，「下世代太陽能電池研究計畫」也在此啟動，計畫著重於發展製作2T（Two Terminals）疊層式鈣鈦礦／矽太陽能電池的幾項關鍵技術並與國內太陽能電池模組製造廠商合作，推動將研究成果於發展可行於實際生產高效率疊層式鈣鈦礦／矽太陽能電池模組之製程方法。

鈣鈦礦：矽基電池的最佳夥伴

鈣鈦礦以俄羅斯礦物質學家L. A. Perovski之名，將CaTiO₃命名為Perovskite，原本是一種礦物名稱，之後科學家將擁有與CaTiO₃相同結構的物質統稱為鈣鈦礦（Perovskite）。有機無機混成鹵化物鈣鈦礦（Hybrid Organic-Inorganic Halide Perovskites）結構如圖1（b）所示，其通式為ABX₃，A、B和X分別為一價陽離子、二價金屬和一價鹵化物陰離子，B陽離子會被6個X陰離子包圍形成BX₆正八面體（Octahedron），而A陽離子則與12個X陰離子形成立方八面體（Cuboctahedron）。A-X之間以凡德瓦力作鍵結，B-X之間以共價鍵鍵結。

鈣鈦礦有以下的特性使其最適合疊加在技術成熟的矽基產業：

一、材料具有可調吸光範圍：透過A位置多元陽離子與X陰離子鹵素置換等方法，來改變材料性質以及調變能隙（bandgap）大小。調控能隙的特性使鈣鈦礦成為一個客製化的半導體材料，透過調整鈣鈦礦的配方，讓它吸收矽電池無法處理的那些高能量藍光與綠光，這使得它成為矽基電池疊層的完美頂層材料。

二、製程簡單：與矽長晶需要的高溫和高真空環境不同，鈣鈦礦材料的製程極其簡單，鈣鈦礦前驅物是上述所提的混合物液體，直接塗佈或沉積在現有的矽電池上，接著在100°C-150°C環境下退火1小時就完成長晶，製備技術與矽基製程高度兼容，意味著現有矽基電池的生產線，能以相對輕鬆實現疊層電池的規模化生產，降低轉換技術門檻。

三、效率上限高：自2009年第一顆鈣鈦礦太陽能電池發展至今，透過製程、結構、材料特性優化等，使效率在短短的15年內從3.8%到超過26%，相較於矽基太陽能電池自1954年發展至2023年達26.63%，鈣鈦礦的效率演進約為矽基的4倍，且作為最新一代太陽能電池，鈣鈦礦仍受到大量研究持續成長突破極限。

成就高效率的鈣鈦礦／矽基疊層太陽能電池技術關鍵在於界面工程、光學調控以及高品質的材料如圖2所示，如何在電極與吸光面積兩者作取捨；降低界面漏電以及寬能隙（≧1.7eV）鈣鈦礦薄膜本質缺陷；最佳化連接上下電池連接層的導電與陷光設計，針對這3個核心的困難點進行優化，就可能把效率提高。

目前全球大型研究機構與國際大廠（如：Oxford PV、QCell、LONGi、JA Solar）紛紛投入研究，使鈣鈦礦／矽疊層效率紀錄在近五年間快速提升，從25%一路推升到超過 34%，顯示疊層電池正成為各國能源轉型的關鍵研究。

2025年初臺灣研究團隊成功讓鈣鈦礦／HJT疊層電池的效率突破 31.7%。同時，也與本土太陽能廠商合作，製備出效率達30%的All Made in Taiwan鈣鈦礦／TOPCon疊層電池，此成果證實我國太陽能電池技術可與國際並駕齊驅。

人類發電的歷史，從煤、油、核能，一路走到太陽能、風能與氫能。從單結矽電池到鈣鈦礦／矽疊層電池，從實驗到應用，我們以光為筆，寫下未來能源的新篇章。

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