黃聖文 / 工研院綠能所
隨著全球再生能源需求持續提升，太陽光電技術的發展備受關注。然而，傳統單接面太陽電池受限於肖克利–奎伊瑟極限(Shockley–Queisser Limit)，其理論光電轉換效率最高約為33.7%，因此如何突破此物理限制成為太陽電池領域的重要研究課題。疊層太陽電池(Tandem Solar Cell)透過結合不同能隙的吸光材料，使高能量與低能量光子分別由不同子電池吸收，可有效降低熱化損失與穿透損失，進一步提升太陽光譜利用率與整體轉換效率。近年來，具備能隙可調、高吸收係數、長載子擴散長度及低成本製程等優勢的鈣鈦礦材料，已成為疊層太陽電池上電池的關鍵候選材料。本文首先介紹肖克利–奎伊瑟極限及其能量損失機制，並說明疊層太陽電池的基本原理與結構類型；接著探討鈣鈦礦材料的能隙調控機制，以及各類鈣鈦礦基疊層太陽電池的發展現況；最後整理近年國際政策推動、產業布局與商業化進展，並分析其面臨之穩定性、製程整合及量產挑戰，以作為未來高效率太陽光電技術發展之參考。
【內文精選】
肖克利-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser Limit; S-Q Limit)，一直是限制傳統太陽電池光電轉換效率的一道物理天花板，該物理限制使得太陽電池難以越過33.7%的轉換效率，為了更有效利用太陽光電，如何打破這層物理限制一直是整個太陽能研究領域的基本方向。為了實現這個雄心勃勃的目標，疊層太陽電池(Tandem Solar Cell)的概念被提出，該策略提供了一條非常具有前景的方向，藉由結合不同能隙的材料，將太陽能光譜分配給不同的子電池，使得超越肖克利-奎伊瑟極限成為可能。鈣鈦礦太陽電池(Perovskite Solar Cell; PSC)由於可調節的能隙以及卓越的光電轉換效率，能夠適配各種不同種類的下電池，使其成為該架構之上電池材料的主要候選者。
本文從肖克利-奎伊瑟極限開始，介紹太陽電池研究領域的發展方向如何由傳統單結太陽電池走向疊層太陽電池，何謂鈣鈦礦(Perovskite)、當前鈣鈦礦/矽晶疊層太陽電池研究領域，以及產業化的最新進展。
什麼是肖克利-奎伊瑟極限？
肖克利-奎伊瑟極限是由William Shockley與Hans-Joachim Queisser於1961年提出，該理論描述單一能隙半導體材料的太陽電池在標準太陽光譜下，可達到的最高光電轉換效率上限。太陽光譜包含了紫外光到紅外光各種不同波段的光線，這些光的能量各不相同，當這些光入射到材料中，過低能量的光（如紅外光）無法被材料吸收，而過強能量的光（如紫外光）被材料吸收後，除了變成需要的電流外，還會有一部份過剩的能量以熱的形式耗散，如圖一所示。這些損失導致在使用單一能隙的材料情況下，我們能獲得的極限光電轉換效率僅能達到33.7%（能隙1.34 eV的材料），意指有超過六成的太陽光能量是無法直接利用的。為了突破這個物理上的限制，疊層太陽電池、熱載流子太陽電池(Hot Carrier Solar Cell)、多激子太陽電池(Multi-exciton Solar Cells)、中間能帶太陽電池(Intermediate Band Solar Cell)等技術被提出，其中又以疊層太陽電池的發展最為迅速，為下一代太陽電池技術的重要發展方向。
圖一、肖克利-奎伊瑟極限及單一能隙材料損失來源示意圖(1,2)
從單結太陽電池走向疊層（多結）太陽電池
疊層太陽電池的概念是藉由堆疊不同能隙材料的子電池，將不同波段的光分配給不同的材料吸收，其原理是讓較高能量（短波長）的光子由上層子電池裡面能隙較寬的材料（如：鈣鈦礦）吸收，較低能量（長波長）的光子則穿透至下層子電池，由能隙較窄的材料（如：矽晶）吸收，從而減少整體能量的浪費---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》477期，更多資料請見下方附檔。