吳世雄 / 工研院綠能所
近日瑞士研發中心(CSEM)與洛桑聯邦理工學院(EPFL)的最新研究成果發表：鈣鈦礦–矽晶堆疊太陽電池效率達31.3%，一舉突破單接面太陽電池理論效率極限。然而，目前鈣鈦礦–矽晶堆疊太陽電池的研究成果，在面積與效率仍離商用階段有不小的距離。本文整理國際大尺寸鈣鈦礦–矽晶堆疊太陽電池資料，陳述不同堆疊方式的面積與效率發展現況，同時推測發展商用模組的關鍵瓶頸，並提出可能的解決方法。
【內文精選】
堆疊太陽電池的架構
堆疊太陽電池是透過不同材料對不同波長的光吸收最佳化組合設計(意即光學匹配)，來達到提升效率的目的。在堆疊太陽電池的堆疊方式及電性匹配可分為二端點及四端點(三端點的研究尚未成熟，這裡暫不論述)，圖一(a)為二端點及四端點堆疊太陽電池的連接示意圖，二端點及四端點顧名思義就是端點的數量。一般而言一個太陽電池會有陽極跟陰極兩個端點，因此所謂的四端點堆疊太陽電池就是上、下兩個電池的端點是各自獨立的；從圖一(b)等效電路圖來看，可說明上、下兩個電池的電路運作沒有關聯，堆疊後並沒有電性匹配的問題，甚至連上、下兩個電池的製作也可分別進行，不互相影響。
二端點堆疊方式較為複雜，如圖一(a)所示，上、下兩個電池堆疊連接後，只有兩個可以接到外部的端點，因此稱之為二端點堆疊太陽電池。從圖一(b)等效電路圖來看，二端點堆疊太陽電池的上、下兩個電池是透過串聯的方式連接，因此其電性特徵是開路電壓為上、下兩個電池的開路電壓總和；短路電流則是被限制在上、下兩個電池中較小的短路電流。如此一來，上、下兩個電池的電流匹配就非常重要，應避免短路電流表現較差的一方成為電流流通瓶頸而影響到二端點堆疊太陽電池特性。在製程方面，由於二端點堆疊方式的上電池是直接製作在下電池的頂部，必須注意避免使用會破壞到下電池的製程及材料。
圖一、(a)二端點及四端點堆疊太陽電池連接示意圖；(b)二端點及四端點堆疊太陽電池等效電路圖
國際小面積鈣鈦礦–矽晶堆疊太陽電池現況
作為堆疊太陽電池的鈣鈦礦上電池，與一般單接面鈣鈦礦太陽電池最大的不同就是金屬背電極改為透明且兼具導電的材料，前者稱之為半穿透鈣鈦礦太陽電池(Semi-transparent Perovskite Solar Cells)，後者則是非穿透鈣鈦礦太陽電池。從文獻的數據統計，前者的效率低於後者大約是6%，造成此差異的主因有兩個：①金屬背電極可反射入射光，使得入射光相當於在太陽電池內部行進兩次，提高光的吸收，進而提升效率。但半穿透鈣鈦礦太陽電池目的是要讓長波長的光可以穿透至下電池，故沒有比非穿透鈣鈦礦太陽電池效率高。②由於半穿透鈣鈦礦太陽電池的透明導電背電極是最後製作，須避免高溫或酸鹼製程破壞底層的鈣鈦礦吸收層、電子傳輸層或電洞傳輸層，因此在製程搭配上妥協所製作的透明導電膜品質較差，導致較高的串聯電阻，造成轉換效率不佳，在尺寸放大時，此問題的影響程度也會隨之放大。
大尺寸半穿透鈣鈦礦太陽光電模組
由於透明導電背電極的沉積條件有諸多限制，所以品質比透明導電前電極更差，單以三階段圖案化製程(P1、P2、P3)，仍然效果不彰。目前大於2 cm2半穿透鈣鈦礦太陽電池最好結果僅有Solliance的16 cm2半穿透鈣鈦礦太陽光電小模組(Mini Module)，效率達12%，此與學習曲線吻合。對於大尺寸四端點堆疊太陽光電模組而言，大面積與高效率的關鍵在於上半部，也就是半穿透鈣鈦礦太陽光電模組，因此導致大尺寸四端點堆疊太陽光電模組效率很低，最佳紀錄只有Solliance的16 cm2四端點鈣鈦礦–矽晶太陽光電模組效率20.2%，如圖七。但為何二端點堆疊太陽電池可以有不錯的表現？分析二端點堆疊太陽電池結構及國際技術可知，由於半穿透鈣鈦礦上電池與矽晶下電池的連接介面是電性縱向傳導薄層(復合層或穿隧層)，堆疊電池電壓是上、下電池加成而串聯損耗小，因此也不須使用三階段圖案化(P1、P2、P3)製程。在透明導電前電極部分，則可透過傳統矽晶太陽電池的網印柵狀銀電極來幫助電流收集而減少損耗，所以在大尺寸的發展進度可以遠超四端點堆疊太陽光電模組---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、大尺寸鈣鈦礦–矽晶堆疊太陽電池之面積與效率統計圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》429期，更多資料請見下方附檔。