鈣鈦礦太陽能電池之發展及應用展望(上)：材料世界網

李家瑋、陳志平 / 明志科技大學材料工程系

鈣鈦礦太陽能電池(PSC)由於其製程簡易、重量輕、可撓性、低成本與其材料可調控能隙等優勢，而備受矚目並被廣泛研究。藉由調整成分、反溶劑的選擇、添加劑輔助、缺陷鈍化與界面工程優化，使其光電轉換效率在近幾年迅速上升，目前已超過25%。本文將針對高效能鈣鈦礦太陽能電池之優化工程作一簡介。

【內文精選】

鈣鈦礦太陽能電池簡介

1839年德國礦物學家Gustav Rose發現一種CaTiO₃複合的氧化物，後來以俄國礦物學家L. A. Perovski之名將鈣鈦礦正式命名為Perovskite。常用的鹵化物鈣鈦礦分子式為ABX₃(A：有機陽離子、B：金屬陽離子、X：鹵素陰離子)，其具有可調之組成及帶隙、高吸收係數、長的載流子擴散長度、高載子遷移率、高缺陷耐受性和低激子結合能等優異的光電性能，因此將其使用在太陽能電池等光伏元件上。然而，鈣鈦礦晶體在製備過程中容易形成各種缺陷(空位缺陷、間隙缺陷、反位缺陷等)，因此許多科學家積極研究各種優化鈣鈦礦太陽能電池的方法，例如反溶劑工程、添加劑工程，以及成分工程等，這些進展使研究人員能夠不斷地提高鈣鈦礦薄膜的結晶品質，而受益於這些製備工程，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率(Power ConversionEfficiency; PCE)已從認證記錄僅3.8%顯著提高到25.5%，可與單晶矽太陽能電池相媲美，使效率不再是限制商業化的瓶頸。

製備鈣鈦礦太陽能電池的製程種類眾多如圖四。綜觀許多文獻，調整鈣鈦礦材料的帶隙、透過添加劑工程、缺陷鈍化和界面改性製程已被認為是有效的方式。

圖四、製備鈣鈦礦太陽能電池的各種製程

1. 添加劑工程

添加劑工程(Additive Engineering)是在鈣鈦礦材料中加入添加劑以改變其薄膜形態、陷阱態密度、電子特性等。透過氫鍵、路易斯酸鹼或配位鍵與鈣鈦礦產生作用力，這些添加劑被結合到鈣鈦礦晶格中，從而影響鈣鈦礦成核和晶體成長。大多數添加劑在鈣鈦礦前驅液的製備中引入，其他則通過後處理步驟，在適當溶劑中的溶液(反溶劑)插入到鈣鈦礦表面。

反溶劑工程技術進行一步法和二步法沉積，是濕式製程中製備高質量鈣鈦礦薄膜的常用方法，而添加劑是常見的優化製程。像是將聚合物作為添加劑引入鈣鈦礦層，如圖五(a)，將有機鹵化物鹽和鹵化鉛混合到極性溶劑，例如：二甲基甲醯胺(Dimethylformamide; DMF)、二甲基亞(Dimethyl Sulfoxide; DMSO)或γ-丁內酯(Gamma-Butyrolactone; GBL)中，同時引入聚合物在前驅液，然後旋塗到基材上，在旋塗步驟結束之前，將非極性反溶劑，例如：甲苯(Toluene)、氯苯(Chlorobenzene)和乙酸乙酯(Ethyl Acetate)倒入預溶液之溶液薄膜上製備，如Yan, Jin, et al.團隊將聚合物Polyvinylpyrrolidone (PVP)引入(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15鈣鈦礦前驅液中，透過聚合物與鈣鈦礦的相互作用，導致鈣鈦礦相變延遲。另外，如圖五(b)，將聚合物添加到反溶劑中，處理鈣鈦礦前驅液薄膜，例如Bi, Dongqin, et al.團隊在氯苯/甲苯引入聚合物PMMA，並用它作為反溶液，處理(FAI)_0.81(PbI₂)_0.85(MAPbBr₃)_0.15前驅液薄膜，以PMMA作為一種載體誘導小鈣鈦礦晶體的成核成長，從而獲得具有較少缺陷和較大取向晶粒的緻密鈣鈦礦薄膜。

二步法沉積是另一種常用來製備鈣鈦礦薄膜的製程。通常第一步先將鹵化鉛溶液旋塗至基板上，第二步則將有機鹵化物鹽溶液滴入鹵化鉛薄膜中以形成結晶鈣鈦礦薄膜，透過將聚合物添加於鹵化鉛溶液，如Zhao, Yepin, et al.團隊將Dimethyl Itaconate (DI)單體引入鹵化鉛溶液PbI₂中，藉由聚合輔助晶粒成長，以獲得高品質之鈣鈦礦薄膜，如圖五(c)，透過將聚合物添加於鹵化物鹽溶液，如Zuo, Lijian, et al.團隊將Polyvinylpyrrolidone (PVP)、BranchedPolyethylenimine (b-PEI)、Polyacrylic Acid(PAA)聚合物引入MAI/MACl溶液，通過旋塗來製備PbI₂-MAI-聚合物之複合薄膜。雖然這些聚合物的引入對鈣鈦礦薄膜的形貌影響不大，但其透過鈍化作用提高了鈣鈦礦的薄膜質量，如圖五(d)。此外，Zheng, Luyao, et al.團隊證明在不進行抗溶劑處理的情況下，利用與Polyethylene Oxide (PEO)聚合物共結晶的自組裝鈣鈦礦可以通過鈣鈦礦和聚合物之間的弱氫相互作用，產生晶粒顯著增大的高質量薄膜---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。