能源轉型已經成為國安議題，在再生能源的運用中，太陽能備受期待。為了提高太陽能發電系統的能源轉換效率，全球科學界嘗試從電池的新型材料鈣鈦礦著手，更搭配疊層製程創新，期待發揮一加一大於二的效益，實現低成本、輕量、提升能源轉換效率等綠能產業優勢，擴大太陽能應用。
台灣大學材料科學與工程學系特聘教授林唯芳率領團隊深耕鈣鈦礦研究超過十年，近年來鎖定「鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池量產技術研發」，超前全球技術，率先製備出大面積高均勻度的鈣鈦礦太陽能電池及模組，享有至少五年的前瞻技術領先優勢，更攜手產業研發機台，朝向自動化製程、打造綠能國家隊邁進。
鈣鈦礦創新研發 成本製程效率優勢
太陽能電池是太陽能發電系統的核心關鍵，利用材料的光電效應，將太陽光能直接轉換成電能。目前市面上最常見的太陽能電池為矽晶太陽能，但是矽晶材料有諸多限制，只能吸收波長1,000奈米以下的近紅外光、可見光及紫外光，再加上理論最高能源轉換效率為29%，因此，透過新材料、新製程提升太陽能光電轉換效率，成為科學界努力的目標。
在材料上，鈣鈦礦成為眾所矚目的新希望！十多年前科學界發現它具有將太陽能轉換成電能的特性，2009年東京大學團隊製備出第一顆鈣鈦礦太陽電池，能源轉換效率卻僅有3.8%。為了提高轉換效率，科學家在鈣鈦礦太陽能電池中添加有毒金屬鉛，將鉛鈣鈦礦太陽能電池的能源轉換效率大幅提高至19.3%，卻也引發人類健康和環境污染等問題。
鈣鈦礦應用於太陽能電池的科技創新，吸引林唯芳教授的注意，2014年起帶領團隊鎖定鈣鈦礦研發，除了應用鈣鈦礦新材料外，也結合傳統的矽晶材料，發展鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池，設計多層、不同能隙的材料，善用不同材料在性能與光吸收範圍搭配互補，進一步提升能源轉換效率。
近兩年，透過綠能聯合開發計畫，連結跨系、跨校、產學合作的研發能量，鎖定「鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池量產技術研發」，林唯芳教授團隊取得可靠度、成本、製程、效率……等多元突破，可望帶動產業化大躍進，成為太陽能電池普及化的新希望！
全方位研發 掌握關鍵技術
林唯芳教授強調，「本計畫為全方位研發，團隊的研發起點，就是鎖定產品導向與產業化，從材料研發，材料量產，製程開發，機台設計，機台測試調控等進行跨領域的研發整合，掌握從原材料到最終產品間的所有關鍵前瞻技術，兼顧技術創新與產業應用，打造符合市場需求、具價格競爭力的產品。」
目前高效率的鈣鈦礦太陽能電池使用有毒物質，並以小面積製程的旋轉塗佈方式在密閉乾燥的惰性氣體環境下，經由多重步驟製作，成本昂貴且無法量產。矽晶太陽能電池多為大面積的模組，考慮到未來產業化的需求，旋轉塗佈法較不適用於量產製程中。團隊改用傳統大面積狹縫式塗佈法，在一般大氣室溫的環境中製作，採用四種溶液配方，將材料溶液塗佈成濕膜，再配合快速紅外光，一步驟乾燥長晶成均勻的薄膜。
由於在大氣室溫的環境中製作，必須選擇無毒環保、兼顧功能性與成膜性優勢的材料及溶劑，成為高品質大面積薄膜的關鍵技術。光是選擇材料、調整配方比例、考量蒸發速度……等細節，就足足花費團隊兩年的時間！克服上述問題後，透過全狹縫塗佈法與四種特殊溶液配方，團隊終於闖關成功，在18秒內塗佈12公分乘以12公分之均勻大面積鈣鈦礦薄膜，「就像塗油漆一樣簡單快速！」林唯芳教授分享。
目前在一般的製程中，塗佈、乾燥與長晶分開作業，每層薄膜都需要數分鐘甚至長達一小時的作業時間，無法自動化。團隊將太陽能電池所需的四層薄膜以自動化製程一步驟快速完成，每層分次塗佈、乾燥與長晶，彼此不會互相作用，製程時間更可控制在低於1分鐘。
機台100%MIT 製程設備雙優勢
團隊不但領先全球，率先製備出大面積高均勻度的鈣鈦礦太陽能電池及模組，
實驗室中所有的機台更是100%台灣製造，除了應用市面上已有的MIT機台外，更攜手億尚精密工業，打造全世界第一台客製化鈣鈦礦生產機台，包括專屬的濺鍍電極與雷射切割機，在製程設備皆取得領先優勢！
在林唯芳教授領導的前瞻材料實驗室中，以六站實際運作製程，第一站材料準備、第二站可量產塗佈機台、第三站濺鍍電極、第四站雷射切割機、第五站熱循環老化測試、第六站溫溼度老化測試。林唯芳教授指著老化測試的機台說明，透過反覆在溫度攝氏85度、相對溼度85%的高溫高濕環境下加速試驗，可達到1000小時以上壽命，確認可靠度與耐用度。目前成品的耐用年限已達10年，團隊正嘗試加入不同離子測試，以增加鈣鈦礦的穩定度，目標鎖定使用壽命達30年。
在原料上，相較於塗佈較厚的傳統矽晶太陽能電池，厚度為500微米，團隊開發的電池僅有500奈米，光是材料就僅是千分之一；在製程上，相對於矽晶太陽能電池必須在高真空高溫繁瑣製程製作，鈣鈦礦太陽能電池以溶液塗佈薄膜的形式製作，室溫就能製造，耗能降低，成品又具備輕量的運送成本優勢，總體成本大贏矽晶太陽能電池，僅需約1/10到1/3！林唯芳教授強調，鈣鈦礦最好的機會，不在於取代目前的主流矽晶電池片，而是為這些既有成熟的矽晶電池加分，提升轉換效率，建構鈣鈦礦最大的市場利基。
目前實驗室中生產的單元電池尺寸長寬各為12公分，能源轉換效率達26%，可組裝最大面積為1公尺乘以1.6公尺。未來發展的目標是將傳統太陽能發電轉換效率提升至30%，進而降低整體太陽光電成本達47%，達到與石化發電競爭的目標。
[小標]國際化產業化 創新人才培育
除了接軌產業與市場，團隊持續進行國際合作，透過歐盟Horizon 2020 (展望2020)計畫，與荷蘭應用科學研究院和匈牙利Szeged大學合作三年，帶動年輕學者海外交流機會，互通自有的技術，建立共同平台。荷蘭主持人Yulia Galagan博士更因此至台大材料系任教，加入研究團隊。
團隊更培育新創種子，2014年，台大材料所團隊獲科技部FITI獎首獎（創新創業激勵計畫創業傑出獎）。團隊成員台大材料所博士廖學中在就讀台大材料三年級選修專題時加入林唯芳教授的實驗室，畢業後集結系所能量，創立前創科技，是台灣第一家，也是全球第三家進行鈣鈦礦光伏技術商業化的公司。
全球皆競相投入疊層太陽能電池研究，但仍處於實驗室形式的製程技術，林唯芳教授領導台灣第一個具有「鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池量產技術」的團隊，享有至少五年的前瞻技術領先優勢，期待能帶動國內的綠能新興產業。當大家都在尋找下一個台積電時，林唯芳教授認為，團隊研發成果正是我國產業的新希望，「從材料到產品，擁有專屬獨家的技術，不但可以100%MIT，更應該自創品牌，超越台積電的代工經濟，打造我國的綠能國家隊！」
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