鍾立涵、賴美君、沈宏欽、蕭柏齡、陳姵吟 / 工研院材化所
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)擁有可大面積生產、低成本、製程簡易、質輕量薄、可撓曲等多重優勢，具有提供低成本太陽能轉換的潛力，且其可與傳統矽晶太陽能電池串聯，充分利用太陽光的優點，提升太陽光利用率。然而，鈣鈦礦材料以配位鍵堆疊，而非共價鍵鍵結，較不穩定，材料對熱、環境水氣以及氧氣等因素較為敏感，故其所使用之封裝材料具有諸多限制，除封裝溫度、時間之外，其阻水特性相當重要。目前業界在鈣鈦礦封裝薄膜研發中，極力開發在120˚C下具有合適流變特性與耐熱特性之熱塑封裝材料。
【內文精選】
鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池(PSC)是一種新型的太陽能轉換技術，使用鈣鈦礦(Perovskite)結構的材料作為光吸收層。鈣鈦礦太陽能電池具有一些優越的特性，包括：高效能、製造成本較低、輕薄柔性等，因此在太陽能領域引起了廣泛的興趣，其基本結構如圖二。
圖二、鈣鈦礦太陽能電池結構
鈣鈦礦材料本身是一種具有特殊結構的晶體，其化學結構通常表示為ABX3，其中A、B和X分別代表不同的陽離子和陰離子，這種結構的鈣鈦礦可以透過不同的元素組合，以調整其光學和電子特性。鈣鈦礦太陽能電池在光吸收效能上表現出色，能夠有效地吸收陽光，包括可見光和紅外光譜範圍，這使得鈣鈦礦太陽能電池在低光照條件下也能表現較好。且鈣鈦礦太陽能電池的製造過程相對簡單，可以使用印刷和塗佈等低成本、高產量的製程技術，這使得鈣鈦礦太陽能電池的生產成本相對較低。鈣鈦礦太陽能電池可以製作成輕薄柔性的組件，適用於多樣的應用場景，包括：可穿戴設備、與建築整合和可撓曲之太陽能裝置等。鈣鈦礦太陽能電池的性能可以透過改變材料組合和製程條件進行調控，這使得研究人員可以不斷優化鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性。雖然鈣鈦礦太陽能電池具有上述優點，但也面臨一些挑戰，例如穩定性和耐久性，特別是在潮濕和高溫環境下所遭遇的困難，學者們正在致力於解決這些問題，使鈣鈦礦太陽能電池能夠更廣泛地應用於實際生產和商業應用。
鈣鈦礦太電封裝程序發展
雖然在近年來鈣鈦礦太陽能電池之效率以及穩定度持續改善，但與矽晶太陽能電池相比，其較容易因熱、水氣、氧氣等因素造成電池衰變，故對於封裝材料以及層壓製程要求也相對較高。目前已有許多種方法嘗試應用於鈣鈦礦太陽能電池之封裝程序上，並且可延長鈣鈦礦太陽能電池的壽命。
熱塑封裝材料
本文前段提及之EVA以及POE材料，在進行封裝層壓製程時，會同時進行該材料之交聯反應。以常用的起始劑過氧化苯甲醯(Benzoyl Peroxide; BPO)以及過氧化二異丙苯(Dicumyl Peroxide; DCP)為例，其0.1 h分解溫度分別為132˚C以及160˚C，無論是EVA或是POE之交聯反應(一般層壓時間在12~15 mins)，在製程中均須維持一定溫度來進行，而對於鈣鈦礦太陽能電池而言，即便使用FAPbX3較為耐溫的系統，此二過氧化起始劑之溫度也過高。但若為了要降低封裝溫度而使用較低分解溫度之起始劑，除了在過氧化物存放時之安全疑慮較高之外，未使用之封裝薄膜如何保存也成為考量問題之一，故熱塑型不交聯系統對於鈣鈦礦太陽能電池而言相對友善。各封裝材料分類如圖四所示。
圖四、太陽能電池封裝常用材料分類
如圖四所示，目前習知之封裝材料均為化學交聯系統，除PDMS溫度較低之外，其餘在層壓同時進行交聯反應的溫度均較高，當中POE系統又比EVA系統高些，而PDMS系統則有水氣穿透率太高之問題。
在矽晶太陽能電池蓬勃發展階段，EVA封裝薄膜主要具有高流動性，以及在完成交聯反應後其物性的提升，包含抗拉強度、熱穩定性以及抗蠕變特性等等，然而在本文前段已提及，後段的交聯反應對於鈣鈦礦封裝程序中較為不利，故在太陽能電池模組中使用熱塑性封裝材料來取代化學交聯材料開始被關注。
工研院熱塑封裝材料
工研院在太電封裝薄膜上，舉凡熱塑型封裝薄膜以及低水氧穿透封裝膜等，均有研究經驗，目前已開發出在120˚C下具有適合封裝之流變特性且在電池工作溫度下具有足夠耐熱特性之材料。而因太陽能電池發展趨勢，鈣鈦礦太陽能電池會是整體主軸中重要里程碑，故工研院也持續聚焦在低溫型熱塑封裝薄膜領域上，以協助提升國內鈣鈦礦電池產業自主性 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》449期，更多資料請見下方附檔。