为何钙钛矿/硅晶叠层电池太阳能电池是现今再生能源技术的明日之星
发展钙钛矿/硅晶叠层太阳能电池技术有力的工具
1. 再生能源的重要性
2. 钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池的优势与发展潜力
3. 支持钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池技术发展有力的工具
1. 再生能源的重要性
随着全球人口持续增加，且大众对于科技商品的依赖不断提升，人类对于能源的需求有增无减。依据世界能源理事会World Energy Council (https://www.worldenergy.org/)的预估，公元2060年，人类对于电力的需求将翻倍，若以石化燃料(Fossil Fuel)发电来供应，我们除了要面对燃料储量枯竭的问题，燃烧石化燃料对于环境的污染所造成的温室效应，更将造成人类无法承受的生存浩劫。
因此，使用再生能源(Renewable Energy)就成为唯一的解决方案。再生能源的种类很多，包括：生质燃料﹅地热﹅潮汐能﹅水力发电﹅风能﹅氢燃料与太阳能…等等。在考虑能源供应的充沛性﹅稳定性以及转换效率等重要因素后，太阳能脱颖而出，成为全球为倚重的再生能源项目之一。
太阳能的应用相当广泛，归纳起来主要有三种运作模式：
- 『光电转换』：利用太阳能电池进行发电。
- 『光催化』：利用触媒进行光催化制氢、二氧化碳还原、有机污染物降解、生质能转化等。
- 『光热能』：利用太阳光的热能制备热水，盐类蓄热﹅进行海水淡化等。
太阳能相当充沛。地球在上层大气传入的太阳辐射(日照)接收了174 petawatts (PW)。大约有30%的太阳能被反射回太空，而其余的太阳能则被云层、海洋和陆地吸收。在地球表面的太阳能光谱大多分布在一小部分近紫外线，全部可见光，和近红外线的光谱范围。地球平均接受的光照能量大约为1.7 × 1017瓦特，其能量的1%相当于能够提供全球74亿人口两百天用量，因此，太阳能可视为无穷尽的资源。(参考数据：维基百科 https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw；世界材料网: https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=32994 )
2. 钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池的优势与发展潜力
一直以来，太阳能电池的材料都以常使用的半导体材料 – 硅晶为主，然而自 2009 年开始，一种特殊的有机金属卤化物材料「钙钛矿」引起了科学家的注意。「钙钛矿」原本是指钙与钛的氧化物 CaTiO3 (结构可表示为 ABX3)，因为有机金属卤化物的结构与钙钛矿 ABX3 同类型，所以统称为钙钛矿。太阳能电池用的钙钛矿，吸收光的效率很高，吸收光子后，可以很快地分离成电子与电洞，传送到电极而产生电流。这样的高效率让科学家想到，何不用钙钛矿来制作太阳能电池呢？( 参考数据：泛科学 https://pansci.asia/archives/323726 )
以钙钛矿制作太阳能电池具有哪些优势呢？
- 生产制程简化：以硅晶做为材料时，为了减低晶格里的缺陷数量，必须经过约 900℃ 的高温长时间处理，然后再以半导体高真空高温制程制作成二极管太阳能电池，工序繁琐严苛。但钙钛矿太阳能电池是以溶液涂布薄膜的形式来制作，所以不需这么高温，也不需要真空环境，只要在一般环境里就可以制作。
- 能量转换效率高：钙钛矿太阳能电池的理论转换效率>40%，目前实验室已产出的钙钛矿单独组件，其转换效率已达成25%，钙钛矿/硅晶迭层电池则已高达30%。(参考数据：台湾钙钛矿科技 https://www.tw-perovskite.com/3rdgenerationsolarcells)
当然，钙钛矿太阳能电池也非完美无缺，目前的缺点就是电池寿命远不如硅晶太阳能电池。一般而言，硅晶太阳能电池的寿命可达30年，但钙钛矿太阳能电池的寿命大约只有10年。
为了提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与寿命，许多科学家相继投入研究。除了透过适当的材料参杂(Doping)来改善电池内部的电荷传输机理，亦透过创新的电池结构设计，成功提高太阳能电池的整体光电转换效率，其中，钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池即为代表性的产物。
台湾大学林唯芳教授带领的团队，就是从事钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池研究的佼佼者。林教授团队将透明的钙钛矿电池层，贴在硅晶太阳能电池的表面，形成迭层结构。当太阳光照射此迭层电池时，上层的钙钛矿材料吸收较短波长的太阳光，进行光电转换；较长波长的太阳光则穿透上层电池，到达下层的硅晶太阳能电池，这也正好是硅晶太阳能电池光电转换效率的波段。(请见图一)
图1. 钙钛矿太阳能电池与硅晶太阳能电池迭层，可以增加光电转换效率。(参考数据：泛科学 https://pansci.asia/archives/323726)
3. 支持钙钛矿/硅晶迭层太阳能电池技术发展的工具
从众多顶刊发表的研究报告显示，Voc-loss开路电压损耗分析(以下简称Voc-loss)，是现今研究者采用，藉以持续突破钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cell, PSC)效率极限，有效的方法。
图2. 近年研究钙钛矿太阳能电池效率改善，采用Voc损耗分析发表论文数的统计图
图二为钙钛矿太阳能电池领域关于Voc损耗分析相关的SCI论文发表数统计。由趋势可见，自2015年开始开路电压Voc损耗研究逐渐受到关注，呈线性增加。虽然在2019~2020年，论文数因为Covid-19疫情有一个停滞期，但是在2021年有一个数量倍增的论文数增幅。而统计到2022年5月的SCI论文发表数，已经达到2021年全年度的水平。预估2022年的论文数相较于2021年，也会有倍增的论文数成长。
如前所述，归纳许多杰出科学家针对钙钛矿太阳能电池Voc损耗分析的研究成果，在结构上，多数关注的重点在于钙钛矿吸收体和电荷传输层之间的接口，若能进行精准的定量分析，确定其非辐射复合的起源，将对于持续突破钙钛矿太阳能电池效率极限，带来极大的帮助。
基于上述需求，有两件事自然成为钙钛矿研究领域在意的项目：(1)如何做到精准量测？(2)如何能利用量测数据快速计算并获得热力学损耗(ΔE1)﹅辐射复合损耗(ΔE2) & 非辐射复合损耗(ΔE3)的分析结果？这也是此研究领域普遍面临的痛点。
光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统 (Enlitech REPS) 是一套完整的系统，可以帮助科学家测量、计算和分析工作中的太阳能电池中的Voc-loss，并为下一步的工艺改进提供思路。REPS不仅可以精准检测极低的EL-EQE信号(低至 10-5 %，即 7 个数量级)，还可以计算热力学Voc loss、辐射复合 Voc loss和非辐射复合 Voc loss (通过其软件SQ-VLA）。此外，它还可以在一个柱状图中分析不同类型器件之间的 ΔV1、ΔV2和ΔV3损耗。快速提供研究人员有效的测试数据与分析结果，除了可以大幅节省研究人员的时间，还可避免人为运算所导致的错误。
图3. 光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统 (Enlitech REPS)
图4. 采用光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统(REPS)针对钙钛矿太阳能电池进行损耗分析改善，系统产出的研究成果可以无缝接轨快速发表于期刊。
对于PERC、HJT、TOP-Con 等高效硅晶太阳能电池转换效率的研究，自2015年起，将研究重心放在损耗分析已成显学。转换效率损失可归因于三个因素，包括短路电流密度 (Jsc)、开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF) 损失。光焱科技的 QE-RX 不仅可以测量 PV-EQE、反射率和 PV-IQE 数据，还可以结合分析软件 SQ-JVFLA 分析 Jsc、Voc 和 FF 损失。 Enlitech 在 QE-RX 中集成了三种不同的测试功能，并开发了 SQ-JVFLA 软件，帮助用户使用 Shockley-Queisser 热极限理论分析三种不同的损耗。 QE-RX 是您提升硅晶太阳能电池光伏效率的合作伙伴。
图五 光焱科技钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统
