高轉換效率的703cm²可彎曲薄膜型鈣鈦礦太陽能發電面板等材料的出現，將太陽能發電技術推向新里程碑，也讓太陽能發電，擔負著未來潔淨能源的發電重任。

太陽能發電的技術創新方面，過去10多年來，在全球的產學業界投入了巨大的研究能量下，使得技術研發與材料方面不斷出現新成果；例如SHARP衛星用化合物太陽能電面板，轉換效率已高達率37.9%，而在單晶矽太陽能發電面板方面，KANAKA轉換效率也可達26.7%，以及東芝在今（2021）年9月發表了全球達到15.1%的最高轉換效率的703cm²可彎曲薄膜型鈣鈦礦太陽能發電面板等，不斷地將太陽能發電技術推向新里程碑，也讓太陽能發電逐漸成為不可或缺的發電技術，擔負著未來潔淨能源的發電重任。

太陽能發電成本在過去8年內降低了1/4

根據國際能源署（IEA）統計，2020年可再生能源可發電量為2,994百萬瓩（Giga Watt；GW），約佔總發電量的38.4%，但到2030年時，占總發電量比例則將大幅度成長68.9%，達到10,293百萬瓩。而在2050年更突破200億瓩，達到26,568百萬瓩，更是佔總發電量的79.5%（圖1）。

圖1 : 全球電力設備發電量統計（累積、發電源別） （source：國際能源署（IEA）；智動化整理）

在太陽能設備市場規模方面，在2020年約為127 GW，但預計2030年將達到630GW（圖2），並且往後每年都呈現成長。在各國能源政策積極推動大規模太陽能發電資金投入下，在建置成本方面，已經下降到接近火力發電的水準，這可以從資本投資和運營/維護等，與發電相關的各種成本計算的均化能源成本（Levelized Cost of Energy；LCOE）來觀察。LCOE已經從2012年的217美元/MWh（兆瓦時），來到2020年的57美元/MWh，也就是說在過去的八年減少了大約四分之一（以全球平均為基礎）。觀察未來30年成本下降速度，雖然下降的速度會比以前慢，但仍舊會呈現進一步下降的態勢。而地區方面來看，印度和中國的LCOE也略低於歐洲和美國。

圖2 : 新建置太陽能發電量與成本 （source：國際能源署（IEA）；智動化整理）

推動太陽能發電成本與建置成本不斷下降的主要原因，除了各國政府的新能源政策，以及人們對於環保概念意識的強化之外，更重要的是，不斷被突破的太陽能發電轉換效率，以及持續發表的新材料與架構。

研發新材料獲得更高的轉換效率成為研究重點

大多數人都認為，太陽能發電是利用玻璃面板上的結晶矽材料，將太陽的光能直接轉化為電能，但是矽材料只能吸收紅外或是近紅外光後，轉換成電力，除此之外的其他光波長只能轉換成熱，而這些熱又會對太陽能發電系統帶來一些困擾。

另一個重點是，結晶矽太陽能電池的轉換效率也逐漸達到極限，因此如何研發出新光電轉換材料，獲得更高的轉換效率，也就成了全球太陽能的業者與學術專家的研究重點。

另外，雖然與其他材料相較，結晶矽材料的轉換效率相當高，已經可以超過25%，不過其材料和製造成本相對也較高，不容易大幅降低。而結晶矽材料的太陽能電池，也因為受限於材料本身的特性，無法彎曲且厚度難以薄化，因此會有安裝地點受限的局限性。事實上，將太陽的光能直接轉化為電能的太陽能電池有多種類型，這取決於採用何種原材料來製作半導體結構。

除了上述的結晶矽材料之外，目前被重點研究的還有化合物材料、薄膜太陽能電池、有機太陽能電池……，以及在2009年發表的鈣鈦礦材料。這其中又以鈣鈦礦材料的可彎曲性，與超過35%的超高光電轉換能力最受關注。

最初發表利用鈣鈦礦作為太陽能發電材料是桐蔭橫濱大學的宮?力教授，而用來吸收太陽光的鈣鈦礦晶體化學式為NH₃CH₃PbI₃，其構造如圖3，其外表為深褐色，對於可見光的利用率相當高。

宮?教授在2009年第一次發表論文時，由於轉換效率只有3.8%，並不被太陽能發電產業所關注。隨後，宮?教授與英國牛津大學共同研究下，在2012年實現了超過10%的轉換效率後，迅速獲得全球太陽能業者的興趣，並且積極投入與鈣鈦礦相關技術的研究開發，例如在2017年韓國科學技術研究所（KRICT）在小面積鈣鈦礦太陽能電池上，更將轉換效率提高到22.7%，已經達到可媲美結晶矽的轉換能力。

圖3 : 鈣鈦礦晶體構造（source：日本科學技術振興機構）

鈣鈦礦材料可在低溫下完成鍍膜製程

利用鈣鈦礦來製作太陽能電池時，需要將鈣鈦礦材料形成薄膜（Thin Film），然後再進行鍍膜製程。在製作過程中，不需要像矽晶為了減低晶格裡的缺陷數量，必須長時間在攝氏900度的高溫下進行，同時也不需要真空環境，在一般環境裡就可以製作。

首先，將含有原料的溶液塗佈在二氧化鈦、氧化鋁等金屬氧化物的薄膜上，形成過氧化物晶體薄膜，這樣的薄膜有一個特點，能夠吸收波長為800奈米的可見光，吸收光子後，可以很快地分離成電子與電洞，傳送到電極而產生電流。由於鈣鈦礦太陽能電池的製程相當容易，因此全球各機構都積極地展開相關研究。

不過，在此製程下的過氧化物薄膜技術，有個重要的問題需要被克服，那就是在製作過程使用了有毒材料。因為在形成過氧化物薄膜的過程中，需要使用到鉛這樣的元素，但由於鉛是一種有毒金屬，即使所使用的鉛量非常小，還是會對製作過程或是未來使用後回收等，產生令人困擾的問題。

因此，目前對無鉛過氧化物的研究，各國的業者或研究機構也都在加緊進行中。例如，最近中國與英國科學家合作研發出室內用、更加環保的無鉛鈣鈦礦太陽能技術-啟發式鈣鈦礦材料（perovskite-inspired materials；PIM），結構與典型滷化鉛鈣鈦礦相似，雖然已經不能含有毒物質，但由於能隙較大，在戶外的陽光下使用時，轉換效率只有1%左右。不過，當在室內使用時，轉換效率可以提高到4%~5%左右，雖然效率相當低、但已可勉強在室內應用。

在彎曲下仍可保持穩定轉換性能

除了超高的轉換效率外，鈣鈦礦太陽能技術還有一項特點，那就是矽結晶材料難以達到的可彎曲性。宮阪教授團隊對這種柔性太陽能電池進行了100次以上的彎曲試驗，其轉換性能仍舊保持相當穩定，相信是一項極具發展前景的技術。

不過，在可商品化部分，事實上，東芝早在2018年6月就領先其他的機構，發表了703cm²鈣鈦礦太陽能電池。而在2021年9月，東芝進一步的對外公布了最新的可彎曲薄膜鈣鈦礦太陽能電池技術，這次的發表除了保持這個世界上最大的尺寸的同時，加快了成膜過程，也將轉換效率維持在15.1%。也就是說，這樣的轉換效率、製程技術與面積都已經達到了商用化的程度。

就單純轉換效率而言，不是東芝而是Utomolight，透過塗佈於玻璃基板，可讓轉換效率達到20.1%，松下也達到了17.9%。不過，以多應用為目標發展成可彎曲的薄膜技術前景下，採用玻璃基板的Utomolight和Panasonic就難以滿足這樣的期待。

換句話說，薄膜特性和高轉換效率這兩點都很重要，因此在該領域，東芝不僅實現了世界上可彎曲性能力下的最高轉換效率外，更將太陽能電池尺寸保持在703cm²的大面積，而超越其他競爭對手（表1）。