李家瑋、陳志平 / 明志科技大學材料工程系
鈣鈦礦太陽能電池因優良的光電性質而被廣泛研究，在形成鈣鈦礦晶體時容易形成各種缺陷，本文探討其缺陷的種類及其特性，透過添加劑工程與界面工程的製程減少鈣鈦礦中的空位缺陷、間隙缺陷及反位缺陷等，再將不同能隙的太陽能電池進行串聯，有望突破32.5%之Shockley-Queisser理論極限，同時運用添加劑工程、界面工程以及串聯太陽能電池工程提升光電轉換效率和元件穩定性。隨著優化工程的進步，元件性能及穩定性技術的突破，PSC的未來願景是備受矚目的。
【內文精選】
鈣鈦礦太陽能電池簡介
2. 界面工程
界面工程(Interface Engineering)在提升光電性能和長期穩定性等方面至關重要，因為鈣鈦礦太陽能電池中的界面與缺陷管理、載流子動力學和表面鈍化密切相關。
對於正式(n-i-p)的鈣鈦礦太陽能電池結構，Liang, Zhurong, et al.團隊在介孔型TiO2(mp-TiO2)薄膜和鈣鈦礦層之間引入了超薄的Al2O3界面層，並獲得了增加的開路電壓(VOC)和PCE，這歸因於TiO2/MAPbI3界面處的表面缺陷狀態降低，增強TiO2/MAPbI3界面的電子提取與電子注入性能，並有效降低載流子復合率。同時在紫外光下抑制了TiO2表面的氧空位形成，顯著提高了元件的穩定性。Jung, Eui Hyuk, et al.團隊在基於SnO2的電子傳輸層(Electron Transport Layer; ETL)薄膜引入了NH4進行鈍化，由於SnO2層在表面產生陷阱態(OHT)，因此減少SnO2表面上的缺陷位點至關重要，實驗結果表明，NH4F不僅可以鈍化表面缺陷，同時還誘導SnO2的化學摻雜。這歸因於NH4F的弱酸性銨陽離子(NH4+)可以與SnO2表面的末端羥基反應，形成氨氣(NH3)和水蒸氣(H2O)，而氟陰離子可以摻入缺陷位點。
2021年間我們團隊合成基於Spiro[fluorene-9,9ʹ-phenanthren-10ʹ-one]的雙功能界面層材料(MSs)，不僅改善了氧化鎳(NiOx)的表面形貌，並修飾HOMO能階如圖九(a)，沉積在其上的鈣鈦礦薄膜具有較大的晶粒尺寸和均勻性如圖九(b)，而疏水性質防止水氣的滲入，顯示出良好的長期器件穩定性，甚至在氬氣(25˚ C)下370天後仍保持90%以上的光電轉換效率。此外也合成了三個以四苯基乙烯為核心、稠環封端二芳胺為給電子基團的p型小分子(CL-1~3)，稠環封端二芳胺的設計策略涉及使用苯用於CL-1、用於CL-2、芘用於CL-3，如圖九(c)，其用於NiOx/鈣鈦礦層的界面層，效率達20%以上，提供一種新的分子設計。
圖九、(a)能階示意圖；(b)鈣鈦礦表面形貌；(c) CL-1~3化學結構
未來展望–串聯型太陽能電池
目前最有機會快速商業化的鈣鈦礦太陽能電池技術，為鈣鈦礦與Si太陽能電池做成堆疊(Tandem)型串聯電池。2018年6月英國牛津光伏公司，成功做出鈣鈦礦/矽晶串接型的太陽能電池效率達27.3%，相繼在2018年12月時打破自己的紀錄達到28%的光電轉換效率。直到2020年1月柏林亥姆霍茲中心(Helmholtz-Zentrum Berlin; HZB)的團隊將這一紀錄推到了29.15%，其太陽能電池結構如圖十(a)，並發表文章在Science期刊上。2020年12月21日牛津光伏以29.5%的效率(美國國家可再生能源實驗室(NREL)證實了這一新紀錄)，再度成為新霸主。接著2021年Jäger, Klaus, et al.團隊利用鈣鈦礦(MAPbI3)/矽晶串接型太陽能電池，結構如圖十(b)，來研究鈣鈦礦層發射光與矽的耦合，發現對於795 nm的發射波長，鈣鈦礦中產生76%的光到達矽層，產生的光中只有4%離開太陽能電池結構進入空氣，17%被鈣鈦礦層重新吸收，如圖十(c)所示，這有助於光子回收。進一步根據實驗光致發光量子產率值，發現鈣鈦礦頂部電池中產生的多餘電子電洞對中超過50%可以被矽(底)電池重複使用，這顯著提高了能量產量；且在雙面配置中，鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池利用1.60~1.65 eV帶隙鈣鈦礦以獲得最佳元件性能，並且發光耦合進一步將電流失配的影響降至最低，該結果對於開發串聯太陽能電池的最佳鈣鈦礦材料非常重要，使效率不再是商業化的限制---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、鈣鈦礦/矽晶串接型太陽能電池結構與光子吸收相對分布圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》428期，更多資料請見下方附檔。