当太阳能应用从屋顶、建筑与穿戴装置一路延伸至卫星和太空资料中心,电池不只要追求更高效率,也必须面对重量、辐射、真空与剧烈温差等全新条件。长庚大学李坤穆教授以「地表到太空新能源争霸:钙鈦矿光伏电池的机会」為题,说明钙鈦矿光伏不必与成熟的硅晶市场正面竞争,而可从传统技术难以进入的场域切入,建立新的应用价值。
轻、薄、可挠,打开硅晶之外的应用空间
钙鈦矿电池具备低温製程、轻薄、可挠与半透明等特性,吸光范围也能依需求调整,适合与其他光伏技术组成叠层电池。李坤穆指出,这些特质可延伸至建筑整合、农业光电、穿戴装置及物联网(IoT, Internet of Things)等场域;当系统进一步走向太空,单位重量所能提供的发电能力更成為关键。
在应用策略上,他主张可先从使用週期相对较短的物联网、穿戴装置与太空任务切入,再逐步挑战需要十年以上寿命的地面型市场。钙鈦矿的机会,不在於全面取代硅晶,而在於前往硅晶不易发挥的场域。
耐辐射只是起点,高温才是更大的考验
太空环境同时存在真空、剧烈温度循环、高能粒子与原子氧等因素,单一条件测试不足以代表实际任务。李坤穆团队以辐射、负压、光照与高低温循环进行模拟,并比较不同材料与结构在多重压力下的稳定性。他指出,钙鈦矿的浅层缺陷具有在能量作用下重新修復的可能,使其在高能粒子环境中展现不同於硅晶的耐受特性。
测试结果也显示,辐射未必是钙鈦矿太空应用最主要的障碍,超过约 100°颁 的高温反而更容易造成性能快速衰退。这意味着太空光伏的竞争不只是电池材料本身,也包括如何透过热管理与系统设计,避免元件长时间进入高温失效区。走向太空后,真正的问题从单一效率竞赛,转為多重环境下的系统可靠度。
封装与界面工程,决定材料能否成為系统
為提升稳定性,团队导入聚偏二氟乙烯(PVDF, Polyvinylidene Fluoride),利用其结构与钙鈦矿之间的作用填补缺陷、巩固晶体,并搭配紧密封装进行测试。结果显示,未封装元件在负压环境下容易受到有机成分流失与晶体破坏影响,完成封装后则能明显改善稳定性;分析也指出,钙鈦矿与电子传输层的界面是高温劣化的重要环节。
李坤穆强调,基板与保护膜在太空电池中不是配角,它们必须同时处理光学、重量、热膨胀与环境防护。未来的验证也需从单项测试走向双重或多重条件整合,才能更接近轨道上的真实情境。钙鈦矿能否从实验室走向太空,关键将是材料、封装、界面与测试平台的共同成熟。