鈣鈦礦太陽能電池之簡介

鈣鈦礦太陽能電池之簡介


鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cell, PSC)是近年國際前沿研究的主要課題。同時擁有有機(organic)及無機(inorganic)元素的鈣鈦礦太陽能電池,其光電轉換效率(power conversion efficiency)在過去短短數年期間,從3.8%提升至23.3%(截至2018.07)不斷刷新世界紀錄,表現相當大的產業化潛力,成為目前新型太陽能電池的尖端新秀。鈣鈦礦歷史可追朔至1839年,由德國礦物學家Gustav Rose發現的一種礦物,以鈣、鈦和氧所組成的CaTiO複合氧化物;隨後以俄國礦物學家L.A.Perovski之名將鈣鈦礦正式命名為Perovskite


鈣鈦礦泛指一系列具有ABX3晶體結構的化合物,近年被廣泛研究的鈣鈦礦可分為以下四類:


● 高溫超導體銅氧化物 (Cuprate High-Temperature Superconductors):典型銅氧化物超導體結構為CuO2平面。

● 鈣鈦礦氧離子導體 (Oxygen Ion Conductor in Solid Oxide Fuel Cells):以ABO3為典型的鈣鈦礦結構。

● 有機無機複合鈣鈦礦(Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Solar Cells):以MAPbl3為結構,主要用於太陽能電池的製程材料。

● 純無機鈣鈦礦 (Inorganic Perovskite Quantum Dots):以CsPbBr3為結構,主要用於光電器材與顯屏。


典型鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池,亦即將染料敏化太陽能電池中的染料做了相應的替換。鈣鈦礦結構如右圖所示,我們通常將ABX3晶體結構可分為以下三部分:


● A 有機陽離子(Cation)一般為甲胺酸(methylammonium):CH3NH3+ 、CH3CH2NH3+  

● B 金屬陽離子(Metal)通常為二族無機陽離子:Pb+ 、Sn+ 

 X3 鹵素因離子(Halogen anion)通常為Cl-、Br-、I-等鹵素陰離子或SCN-


目前高效鈣鈦礦太陽能電池中,最常用的ABX3材料為碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3),電子和空穴擴散長度為130、100 nm;帶隙為1.5eV,在400~800 nm範圍內均有良好吸收。