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作為被寄予重望的再生能源，太陽能技術自1945年問世以來的主力矽基太陽能電池。今（2022）年6月，美國普林斯頓大學（Princeton University）工程與應用科學學院的研究人員發表於《科學》（Sceince）的研究成果終於突破了過往的限制，發展出一款耐用的鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cell, PSC），超越了原本矽基太陽能電池的某些極限，成為再生能源技術發展的重要里程碑。

鈣鈦礦是一種具有特殊晶體結構的半導體，適合應用於將太陽能轉換為電能的太陽能電池技術。鈣鈦礦太陽能電池的技術最早於2006年發表，2009年出現首批運作設備，但早期的鈣鈦礦太陽能電池成品都很脆弱，某些裝置甚至只能運作幾分鐘甚至幾秒鐘。到了2010年代，這類設備的使用壽命逐漸延長為幾天、幾週、幾個月，直到2017年，瑞典的研究人員發表了可連續運作一整年的鈣鈦礦太陽能電池。於此同時，鈣鈦礦太陽能電池轉換太陽能為電能的效率也快速提升，可望成為能源相關技術中發展得最快速的領域。

被寄予眾望的太陽能電池技術再度有了新的進展。（123RF）

普林斯頓大學發表的這款鈣鈦礦太陽能電池，不僅符合現今一般的太陽能效率標準、非常耐用，也是同類產品中第一款效率與壽命能媲美矽基太陽能電池的設備。除了鈣鈦礦太陽能電池技術本身有所突破之外，本研究也對於太陽能電池耐久性的評估方法有所創新，隨著太陽能電池技術的發展，相關設備的耗損狀況開始以「年」做為評估單位，因此如何測量與推估，並換算出太陽能電池的耐久性，將成為此技術發展的一大關鍵。

研究團隊自2020年初就開始研發測量方法，以了解太陽能電池在高效率運轉情況下的狀況與持久性。試圖了解當太陽能電池持續將大量陽光轉化為電能時，各種條件包括氣溫、光、溼氣等衝擊會如何影響太陽能電池的生命週期、削減它的運作效率。

而此技術的進展，其實也與團隊持續進行鈣鈦礦太陽能電池的技術研發有關。強化鈣鈦礦太陽能電池的重要方式，在於將太陽能電池內部不同的材料分層，以最佳化光的吸收，並且保護脆弱的區域免於受到光照的破壞。其中一個關鍵是在吸光的鈣鈦礦層（absorbing perovskite layer）與金屬構成的電荷攜帶層（charge-carrying layer）中間加入一個非常薄，大約只有幾個原子厚度的覆蓋層，就可以防止重要的鈣鈦礦半導體在數週或數個月內受損燒毀，有效提高鈣鈦礦太陽能電池的運作時間。

團隊在燈箱中測試了各種不同排列細節、層數、材料所構成的覆蓋層成效，藉此研判不同的太陽能電池隨時間衰退的速度。而當團隊找到一組接近半年都不見衰退的覆蓋層，便開始思考該如何以合理的方式，找出太陽能電池的生命週期。考量到新技術的研發與太陽能電池的安裝成本，目前理想的商用太陽能電池使用壽命大約是20年，但研究當然不可能等上20年以證實設備的使用壽命。因此找出可以加速老化並估計設備壽命的測量方法，就變得格外重要。

團隊最終發現，可以透過同時加熱與照光加速太陽能電池的老化過程。太陽能電池在戶外照光會自然衰退，而加熱則可以有效地加速整個過程。研究人員使用了四種溫度，包含了從夏天的日均溫到高於水沸點的110℃，並且在不同的條件下進行測試，最後透過組合數據推斷，以了解新研發出來的鈣鈦礦太陽能電池在室溫下可以運作多久。結果顯示在平均溫度35℃的情況下，鈣鈦礦太陽能電池可以保持80％以上的運作效率至少五年，此轉換相當於可在普林斯頓大學附近的戶外以同樣的效率運作30年，已然超過目前的商用所需。

雖然鈣鈦礦太陽能電池出現了長足的技術發展，但也有人認為它不見得會取代現今已經充分商用的矽基太陽能電池，而是做為新的應用將太陽能發電技術擴展到更多的新領域。除此之外，相較於現今主力的矽基太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池有機會在室溫環境下製造，需要使用的能源比矽少得多，因此如果能投入生產，可以更便宜、更具持續性。此外，由於材料特性的緣故，矽基太陽能電池成品是堅硬、不透明的，但鈣鈦礦有潛力製成靈活而透明的成品，賦予太陽能電池更多潛在應用的空間。

新聞來源
1. Xiaoming Zhao et al., Accelerated aging of all-inorganic, interfacestabilized perovskite solar cells. Science, 2022
2. Scott Lyon, Once seen as fleeting, a new solar tech shines on and on,Princeton university, 2022/6/16.