羅少軒、朱文彬 / 工研院材化所
近年來，鈣鈦礦太陽能電池引起了科學家和能源專家的關注。相較於傳統的矽晶體太陽能電池，鈣鈦礦太陽電池擁有較高的開路電壓、低溫低能耗、適合於柔性襯底材料等優勢。其製造過程主要分為乾式和濕式兩種方法，在濕式塗佈技術中，狹縫式塗佈技術的應用日益廣泛。狹縫式塗佈技術具有高膜厚均勻性、高塗佈速度、高塗料使用率與可適應不同基板等優勢；此外，狹縫式塗佈技術也可與其他塗佈技術結合，讓鈣鈦礦太陽能電池實現更好的效果。目前，已有多項研究證實了這種技術的可行性和優勢，然而，大面積元件製造中仍需解決一些製程上的挑戰。因此，未來的研究將聚焦於製程優化和生產條件的控制，以實現更高效、穩定和可持續性的鈣鈦礦太陽能電池生產製程。展望未來，鈣鈦礦太陽能電池將成為太陽能技術領域的一個重要力量。
【內文精選】
製程技術
鈣鈦礦層的製造方法主要有兩種，分別為乾式製程逐層沉積法與濕式製程溶液塗佈法。逐層沉積法是將不同的前驅物分別沉積在基板上，然後經過熱處理或光照等方式，使其反應形成鈣鈦礦結構。溶液塗佈法是將含有鈣鈦礦前驅物的溶液直接塗佈在基板上，然後經過乾燥或相轉換與退火等方式，使其液膜乾燥結晶形成鈣鈦礦薄膜。
狹縫式塗佈是一種預調式的塗佈技術。溶液儲存於桶槽之中，通過一個精密的定量幫浦將溶液通過管線、過濾器並進入狹縫式塗頭中，溶液在塗頭中藉由一設計良好之分流管均勻地擠出狹縫式模具頭，最終在基板上形成一個均勻的液膜。
狹縫式塗佈之鈣鈦礦太陽能電池製程技術研究
狹縫式塗佈技術已被用於製造不同類型的鈣鈦礦太陽能電池，例如單結構、串聯結構、疊層結構等。狹縫式塗佈技術也可以與其他塗佈技術結合，例如旋轉塗佈、刀片刮塗等，以實現更好的塗佈效果。目前，使用狹縫式塗佈技術製造的鈣鈦礦太陽能電池，已經達到了超過20%的能量轉換效率，並且具有良好的長期穩定性。
近年來，已有多篇研究報告使用狹縫式塗佈製作鈣鈦礦太陽能電池，並取得了不錯的成果。例如：2016年時Vak等人發表之文獻中描述，該團隊於塗膜乾燥時以連續的氮氣流吹拂塗膜表面，確保薄膜均勻性，同時控制溶劑蒸發速率並防止針孔形成而獲得良好的薄膜與結晶形態；此外，更在文章中發表以3D列印機裝上狹縫式模具頭所製作之鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉換效率(PCE)在47.3 cm2時可達到4.56%。
2018年Lee等人採用由PbAc2和PbCl2組成的混合鉛前驅體塗料，透過狹縫式模具製造鈣鈦礦太陽能電池；並在塗佈的過程中將基材維持在45˚C，同時以連續之氮氣吹拂塗膜表面控制其結晶速度(圖七)，最終證明當配方比為PbAc2:PbCl2 = 8:2時，所形成之鈣鈦礦薄膜表現出良好且均勻的形貌，此形貌在使用單一PbAc2鉛源的塗料中很難實現。使用此混合鉛前驅體系統所製成的鈣鈦礦太陽能電池顯示出很高的裝置性能和再現性，在論文的最後以狹縫式塗佈法製作了有效面積為10 cm2的大面積模組，其光電轉換效率可達到8.3%。
圖七、(a)鈣鈦礦太陽能電池結構圖；(b)狹縫式塗佈法之製程示意圖
2020年Huang等人結合狹縫式塗佈製程與近紅外線輻射系統，並透過添加正丁醇來調整鈣鈦礦前驅體溶液的組成，增加近紅外線能量吸收效率，以利於溶劑蒸發來加速鈣鈦礦薄膜的結晶形成。因此，在18秒內即可於大氣環境下製備出高品質且均勻的鈣鈦礦薄膜。最終於12 cm×12 cm的面積上製備四層均勻的薄膜，並實現約11%的光電轉換效率。
工研院鈣鈦礦太陽能電池大面積塗佈技術發展
以上幾篇文章都展示了使用狹縫式塗佈製作鈣鈦礦太陽能電池的可行性和優勢，對於鈣鈦礦太陽能電池大面積生產技術的發展有重要的意義。只是學術上的研究大都專研於配方調整與成核機制為主，尚無人探討大面積與連續式塗佈時的工藝要求。
一般來說，鈣鈦礦塗料會具有低黏度、低固含量與低表面張力等特性，這種塗料在進行塗佈時，會發生空氣滲入、破膜等缺陷(圖十一)，使操作視窗很小，以致於無法滿足鈣鈦礦塗膜之超薄層塗佈、塗層厚度均勻度以及量產穩定性等需求 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、(a)空氣滲入之缺陷；(b)破膜之缺陷
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期，更多資料請見下方附檔。