邱偉豪 / 長庚大學可靠度科學研究中心；方元雋、李坤穆 / 長庚大學化材系
近年來，鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cell；PSC)因其低加工成本和高效率而受到深入研究。其中，電子傳輸層在提取和傳輸光誘導電子、改變界面、調整界面能階和最大限度地減少鈣鈦礦太陽能電池中的電荷複合方面起著至關重要的作用。本文綜述了近年來電子傳輸材料的研究進展，從材料選擇進行切入討論電子傳輸層材料，進一步比較目前電子傳輸層之先進製備方式、摻雜技術與表面改質技術，以及這些參數對於電池性能與物理行為上的影響。電子傳輸層的技術進展亦是目前高效鈣鈦礦太陽能電池的重要研究方向，透過以上技術的疊加與處理，實現現今PCS的最高認證效率25.7%，並逐步朝商業化邁進。
前言
近年來由於環保意識的抬頭，再生能源的發展於國際上逐漸受到重視，鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)就是其中一項有利的發明。其熱門的原因在於鈣鈦礦具有優越的光吸收特性、能帶寬廣、高電子遷移率、電池製程簡單且變化多，故在太陽能領域發展佔有一席之地。
鈦礦礦太陽能電池可分為順式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種結構。順式結構是在透明陰極上先後製備出電子傳輸層(Electron Transport Layer; ETL)、鈣鈦礦、電洞傳輸層(Hole Transport Layer; HTL)和陽極金屬，如圖一(a)所示；反式結構是在透明陽極上先後塗佈電洞傳輸材料(Electron Transport Material; ETM)、鈣鈦礦(Perovskite)、電子傳輸材料(Hole Transport Material; HTM)和陰極金屬，如圖一(b)所示。兩者的主要區別在於ETL和HTL在金屬電極上的沉積順序。目前，順式結構PSCs (Perovskite Solar Cells)之光電轉換效率(Power Conversion Efficiency; PCE)已可高達25.7%。但由於反式結構之PSCs具有較低之遲滯效應，且價格更為低廉，因此逐年受到重視。然而，在發展過程中仍碰到一些問題，例如:光電轉換效率較差以及電池內部的有機傳輸層(例如:C60、PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)、富勒烯及其衍生物)的熱穩定性較差，長時間使用會導致PCE效率快速下降等問題。但無論是順式或反式結構，ETL層的材料及其表面都對PSCs有著極大的影響。因此本篇主要針對PSCs中的ETL進行討論及探討，希望能藉由一些特定材料及製程方法，有效的提升PSCs之PCE。
圖一、(a)順式(n-i-p)之PSCs結構；(b)反式(p-i-n)之PSCs結構
ETL用途及種類說明
電子傳輸層(ETL)在PSCs中扮演最重要的作用是促進電子傳輸並阻止電荷複合。若無ETL，基板將直接與鈣鈦礦層接觸，即使仍可以進行光電轉換，但會因界面發生嚴重電荷複合，導致PSCs的PCE大幅降低。再者，鹵素鈣鈦礦傳遞電洞效率大於傳遞電子的效率，如導致界面處電子累積過多，會造成遲滯效應，進而導致電池的可靠性降低，因此須要ETL加速電子的傳輸來避免上述情況發生。
選擇作為PSC的ETL通常必須滿足下列條件。第一，材料必須避免與陰極電極和鈣鈦礦層有化學反應。第二，要能夠形成無孔洞的緻密結構，以避免漏電流產生。第三，相對於鈣鈦礦層，應具有較低的未佔用分子軌道能階，接收電子。現今較為常見的ETL有TiO2、ZnO、SnO2等材料。
1. TiO2-ETL
二氧化鈦(TiO2)因具有優異的穩定性、適當的光電性能，和簡單的成長過程，所以在過去十年中TiO2是最常使用的ETM，且TiO2可透過摻雜不同陽離子(例如：Cd、Li、Zn、W、Ru、Nb和Sn陽離子)和不同的薄膜製程技術，來取得不同的機械、電學、結構、光學特性。R. Teimouri的團隊透過將Li摻雜至TiO2，提升了導電率並得到了更好的電子傳輸效率，並針對摻雜Li的含量做更進一步的討論。發現PSCs若是由0.3 M Li 摻雜於TiO2 ETL，其PCE為24.23%，相比於未做任何摻雜，提升了1.97%。然而TiO2卻具有一些待處理的問題。首先，必須在450°C以上的高溫進行退火，由於此為能量密集型的方法，故無法適用於製造柔性PSCs，且僅能使用FTO(Fluorine-doped Tin Oxide；摻氟氧化銦)基板，無法使用ITO(Indium-doped Tin Oxide；摻錫氧化銦)基板；此外，TiO2在紫外光下因具有催化性質，容易引起鈣鈦礦分解，導致整體元件不穩定。因此近幾年較多研究已改用---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。