鈣鈦礦(Perovskite)太陽能電池已經成為傳統無機太陽能電池中矽的替代材料，因為能夠實現更高的功率轉換效率。
儘管目前其他材料被用於不同類型的太陽能電池，例如，用於軟性與透明太陽能電池的有機材料，但目前還沒有很多競爭者能夠取代矽與商業型太陽能電池所使用的矽衍生物。
鈣鈦礦太陽能電池有可能取代傳統的矽，但在與矽太陽能電池進行商業競爭之前，仍有一些挑戰需克服。
鈣鈦礦太陽能電池的潛力
鈣鈦礦是一種廣泛的材料，在過去10年左右的時間才被廣泛地與太陽能電池結合。因為鈣鈦礦是一種具有A2 + B4 + 結構的材料(其中A與B是有2+與4+電荷的陽離子，X是陰離子)，有多種材料可供利用。因此，利用不同的鈣鈦礦在不同的太陽能電池中應用具有很大的潛力。
在這些材料中，有幾種不同的適合材料已經呈現高功率轉換效率(PCE)的潛力，僅次於商業型太陽能技術的黃金標準——儘管矽在該產業中長期處於優勢地位。截至2022年1月，鈣鈦礦太陽能電池PCE的最高記錄約為25.7%，僅比目前使用的單晶矽太陽能電池低1%。
當產業從單接合(single junction)太陽能電池到堆疊型(tandem junction)太陽能電池時，堆疊型鈣鈦礦太陽能電池的PCE高達29.8%，超越了所有單接合電池。唯一有記錄超過這一水準的堆疊型太陽能電池是Ga-As太陽能電池，其PCE約為32.9%。有一些太陽能電池透過三個或更多的接合達到更高的PCE，但由於更高的製造成本與因嘗試最佳化多接面的電子帶隙結構而對製造所增加的複雜性，這些電池在商業應用不太可行。
鈣鈦礦太陽能電池的發展
鈣鈦礦太陽能電池的發展以快速方式持續進展，PCE已經超越許多其他類型太陽能電池的研究工作。有幾種不同的製造方式可以生產鈣鈦礦太陽能電池，因此與用於生產矽太陽能電池的方式相比，其製造方式通常更簡單、更便宜。
但是，儘管在鈣鈦礦太陽能電池商業化方面存在挑戰，研究人員如何在短時間內取得進展？正如許多其他有展望的材料一樣，與所利用材料的特性有很大關係(研究人員將石墨烯用於太陽能電池與其他技術時也遇到這個實際的問題)。
鈣鈦礦具有優良的電子特性，具有直接能隙(所有太陽能電池接點所需半導體的特性)，並具有高吸收係數。這代表它們可以有效地吸收光，並跨越廣域電磁波譜——不僅是可見光部分。
除了這些關鍵特性外，鈣鈦礦也呈現較長的電荷載子擴散長度，活性電荷載子快速的電荷分離，且其能隙可以經由化學摻雜來調整。從材料的角度來看，這種電子特性的組合表示其在光吸收能更有效的方式與更高的光-電轉換率帶來更多希望。因此，人們對其應用產生了極大的興趣，目前所研究的元件數量也在增加中。
採用鈣鈦礦太陽能電池持續面臨挑戰
如同任何新技術一樣，研究人員與開發人員須克服一些挑戰，才能使其成為商業上可行的技術——鈣鈦礦太陽能電池也不例外。由於其高PCE與簡單的加工方式，使其具有巨大的發展潛力，然而，不良與穩定性問題減緩鈣鈦礦的廣泛應用。
造成鈣鈦礦裝置不良與不穩定的主要原因之一，是應用在製造這些裝置的加工與製造方式的數量。雖然多條製造方式可能是有利條件，但當每條產線產生不同的結果時，這就是不利的因素，其零件特性的可重複性成為一個問題所在。
當建立大面積的設備時，這些問題會變得更加明顯。然而，這些設備最終將取得最多陽光，所以在技術層面須有某種程度的共識與標準，以便持續產生可靠的結果。
出現不良與不穩定是因為每種方法涉及不同的合成方式與製造參數。因此，在一些方法中，離子遷移可能會導致缺陷，而晶格變形與相變會出現針孔。
當這些不良發生時，不僅會破壞其光電性能而降低零件的PCE，而且還會在水、高溫、光與電場的存在情況下加速太陽能電池的退化。
為了能更加使商業化具有成功效應，並實現鈣鈦礦的PCE與低成本潛力，各種方法之間須有更大的可靠性，以確保設備高品質、高性能與長期穩定性的保證。
增加對2D鈣鈦礦的興趣
除了散狀鈣鈦礦，產業對應用於製造太陽能電池的2D鈣鈦礦材料的興趣也在不斷提升。一些研究人員認為，除了表面工程方法與在鈣鈦礦晶格導入無機陽離子的方法之外，2D材料是提高設備穩定性的關鍵要素。
印度理工學院洛基分校(Indian Institute of Technology Roorkee)石墨烯(Graphene)與2D材料技術學術研究員Akanksha Urade告訴《EE Times》：「鈣鈦礦材料由於其高效率與輕質特性，被認為是矽的後繼物質。然而，在大規模生產中很難重現實驗室中看到的結果，所以鈣鈦礦的潛能尚未能充分的發揮。」
有不同的2D材料正試用於薄膜太陽能電池，最近2D材料最有希望的發展之一是發生在一組研究人員研創出大面積的石墨烯-鈣鈦礦(GRAPE)太陽能電池板，並在希臘建立了一個小型太陽能農場(solar farm)。研究人員使用石墨烯作為電子傳輸層，2D二硫化鉬(molybdenum)作為鈣鈦礦與電洞傳輸層之間的緩衝層。
2D鈣鈦礦材料的商業化有其自身的挑戰，但這與石墨烯(其本身在太陽能電池中也被廣泛試用)一起的新發展，呈現出新型態的鈣鈦礦太陽能電池。
這個小規模的太陽能農場仍處於起步階段，由於仍有一些問題需要解決，因此預期會有相關的改進方式。例如，太陽能電池板的積層材料(一種可低溫交聯的乙烯-醋酸乙烯酯塗層)出現某種程度的退化，導致其性能在9個 月後有下降現象。
然而，研究人員發現，與鈣鈦礦一起使用石墨烯一個顯著的特點是，其改善了電池的內部穩定性。因此，如果能用更好的材料來封裝電池板並防止環境對其造成退化，那麼電池板應能長期維持內部穩定。太陽能電池本身佔有很大的面積(0.5平方公尺)，每個電池包含40個模組。該太陽能農場由9個這樣的太陽能電池所構成，總面積為4.5平方公尺，安裝功率為267瓦(W)。
該太陽能農場在整個專案中並沒有與電網連接；然而，據估計，如果持續連接一整年，考慮前12個月內的一些電力損失，該農場可能會產生約376千瓦時(kWh)的電力。如果扣除最初的損失，並考慮其為一個完整的系統，該太陽能農場應產生約546kWh的電力。
這些數字是大有可為的，儘管目前有許多不同種類的太陽能電池安裝，都有不同的功率要求，最常見安裝在住宅屋頂的太陽能電池在250W~400W之間。如果全年都能滿足理想的獲取條件，一般僅需要由一組多個電池板所構成的1kW裝置來實現每年750~850kWh的電能。
Urade還談到有關GRAPE太陽能板的潛在優勢。「在高溫條件下，GRAPE太陽能電池板的性能優於傳統太陽能板，在峰值功率下，大多數商用矽太陽能板只能達到250W~300W的功率，」他提到。「在使用8個月後，只發現輕微的退化現象，這些技術可以幫助將能源均化成本(LCOE)降到20歐元[約19.77美元]/MWh以下。」
預計2D鈣鈦礦領域將在未來吸引更多的關注與興趣。儘管2D鈣鈦礦還沒有表現出其他相應材料那樣高的效率，但有些正處於開發中的元件正在實現PCE。在所見設備的地方也有更大的發展空間——從散裝太陽能電池到薄膜太陽能電池。
或許可能無法達到散裝鈣鈦礦太陽能電池的高度，但在未來幾年內，這兩種類型很可能會在世界能源收集運作中產生越來越大的作用。
(參考原文：Perovskite Solar Cells Offer Alternative to Silicon，by Liam Critchley)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年2月號
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