鄭達鴻、蕭育生 / 臺灣科技大學材料系；施仲恩、陳志平 / 明志科技大學材料系
鈣鈦礦太陽能電池因其成本低、製程簡單、元件效率優異以及具廣泛的應用，在學者們不斷地推進下，光電轉換效率從2013年的3.9%飆升至2024年所認證的26.7%，已站到太陽光電領域的前端，引起前所未有的關注。本文將針對電洞傳輸材料與電子傳輸材料於近年的進展，包含有機小分子、共軛高分子、富勒烯、非富勒烯等，透過如界面工程、缺陷鈍化、能階調整等策略，以確認這些傳輸層材料在鈣鈦礦系統中的有效性，於實現具有高效且優異穩定性之元件的同時，也為將來潛在的商業化描繪出一條途徑。
【內文精選】
電洞傳輸層
在倒置型鈣鈦礦太陽能電池中，PEDOT:PSS、PTAA和NiOx是最常用的電洞傳輸材料(Hole Transporting Materials; HTMs)，而Spiro-OMeTAD作為電洞傳輸材料仍是高效率n-i-p型元件的熱門選項。然而這些材料皆存在一些缺點，因此在提升性能上受到了限制。像是Spiro-OMeTAD對光、水氣及熱十分敏感，摻雜及氧化過程也十分複雜；PEDOT:PSS具有親水性，加上其酸性和腐蝕性，在被覆鈣鈦礦前驅液後會表現出化學不穩定性，並且與其他HTM相比，其能階也較不匹配；PTAA具有疏水性，會使鈣鈦礦前驅液不易被覆在表面，其較差的表面潤濕性因此帶來了挑戰。
Chen和他的團隊通過在前驅液中引入(Aminomethyl)phosphonic Acid (AMP)來平衡結晶動力學，並填補SAM的缺陷，以形成緻密電洞傳輸層。AMP會與FA形成強氫鍵，觸發FA結晶，使Cs和FA的結晶速度平衡，同時AMP會自發地沉入底層的界面，通過其本身的錨定基團(-PO3H2)與FTO形成共價鍵，使單分子層的堆積密度增加，有效避免由於HTL不連續使主動層直接與底層的電極接觸之情況。經過優化後，基於Cs0.05FA0.95PbI3的鈣鈦礦元件可以達到25.35%的PCE值，且具有良好的穩定性。Tang等人發現SAM分子如果是通過氫鍵而非共價鍵與基底上的羥基結合，則鈣鈦礦前驅液中的強極性溶劑會使SAM脫離。為了改善這個問題，他們在原本的基底上使用ALD創造了一個由共價羥基組成的ITO表面，以利所採用之具有三甲氧基矽烷基團的SAM分子在上方錨定，如圖四(a)所示，最終，經過優化的元件可以達到24.8%的高效率，在穩定性上也有卓越的表現。
圖四、(a) PSC結構示意圖、SAM分子化學結構圖與最佳PCE之J-V 曲線圖；(b) PSC結構示意圖、能階圖與能帶示意圖；(c) PSC結構示意圖與XPS分析圖譜；(d)小分子TT化學結構圖與iPCE之J-V 曲線圖
近期，本研究團隊在《Chemical Engineering Journal》期刊上發表了一篇相關的研究，我們探討了四種具有不同鏈長和末端功能基團的SAM分子(2PACz、MeO-2PACz、4PADCB和Me-4PACz)，在Sol-Gel NiOx上進行缺陷鈍化(Defect Passivation)對PSC的影響。從結果上來看，使用MeO-2PACz與4PADCB能夠有效地減少NiOx薄膜上的缺陷(如圖四(c))，這也反應在較高的FF上；在效率方面，在AM 1.5G下基於Cs0.18FA0.82Pb(I0.8Br0.2)3的PVK下可以達到PCE超過20%的優異性能(MeO-2PACz與4PADCB)，值得注意的是，在室內光源下(3,000 K LED(1,000 lux))也有42%驚人的效率表現(4PADCB)，這也凸顯了PSC在弱光環境下具有高效發電能力的巨大潛力。
鈣鈦礦太陽能模組
研究人員們除了不斷優化元件性能、提升效率外，在推展商業化的路上也沒有停下來，對於大面積組件Perovskite Solar Module (PSM)投入了巨大的努力。根據NREL所定義的尺寸標準，依照元件面積大小可以將PSM分為：Large Module (>14,000 cm2)、Standard Module (6,500~14,000 cm2)、Small Module (800~6,500 cm2)、Submodule (200~800 cm2)和Minimodule (10~200 cm2)，自首次擴大元件尺寸，基於CH3NH3PbI3-xClx的PSM，從在13.44 cm2的有效面積上達到5.1%的PCE，到目前已能在810.1 cm2的有效尺寸上達到19.5%的PCE(圖七(a))。雖然PSM在組成上與PSC非常相像，根據電洞傳輸層與電子傳輸層的位置可以分成n-i-p型和p-i-n型，但PSM不單單是大面積的PSC而已，隨著面積變大，透明導電電極(TCO)的電阻損耗也明顯增加，結構上需要將多個較小的子電池通過串聯或是並聯連接，且考慮到活性區與無效區域，使PSM中的定義面積變得較為複雜。
圖七、(a)不同面積之PSM效率表現圖；(b)連續照光下之PSM穩定性圖
除了追求效率外，穩定性也是另外一個受到矚目的商業化重點，在還沒有一個明確評估標準的情況下，以IEC 61215和ISOS協議中的測試對PSM的穩定性進行評估，正逐漸被業界和學術界接受。IEC 61215是用來認證PSM的安全性及相關指標性標準；而ISOS則是為老化條件下的測試提供了標準。圖七(b)顯示了PSM在連續光照下的穩定性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》455期，更多資料請見下方附檔。