鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCells,PSCs）是一種使用鈣鈦礦材料作為活性層的薄膜光伏裝置，能夠將太陽光轉換為電能。鈣鈦礦材料以其出色的光吸收和電荷傳輸特性聞名，使其成為太陽能技術中令人興奮的突破性材料。由於其高光電轉換效率（PCE）和低成本製造潛力，鈣鈦礦太陽能電池近年來受到了廣泛的關注。
什麼是鈣鈦礦?
鈣鈦礦材料具有ABX₃晶體結構，其中"A"代表有機或無機陽離子，"B"是金屬陽離子（常見的是鉛或錫），"X"是鹵素陰離子（碘化物、溴化物或氯化物）。原始的礦物鈣鈦礦（CaTiO₃）啟發了這一結構，但用於太陽能電池的鈣鈦礦材料是經過合成設計，以最大限度提高光伏性能。
鈣鈦礦前驅物
為了形成鈣鈦礦太陽能電池的活性層，通常使用溶液處理的前驅物：
1.FAI(甲脒碘化物)：FAI常用於形成FAPbI₃鈣鈦礦材料，其在熱穩定性和效率上優於甲基胺基的對應材料。
2.MAI(甲基胺碘化物)：MAI用於製備MAPbI₃鈣鈦礦，但隨著FA基材料的穩定性更好，它逐漸被FAI取代。
3.PbI₂(碘化鉛)：PbI₂是鉛基鈣鈦礦的重要前驅物，與有機鹵素鹽反應形成鈣鈦礦層。
4.SnI₂(碘化錫)：SnI₂用於合成錫基鈣鈦礦，但錫基鈣鈦礦的穩定性比鉛基版本差，原因在於錫的氧化。
5.CsI(碘化銫)：CsI通常與其他陽離子如FA或MA組合使用，以提高混合陽離子鈣鈦礦的熱穩定性和性能。
NIP和PIN結構
鈣鈦礦太陽能電池通常採用兩種主要的結構：NIP(負-本徵-正)或PIN(正-本徵-負)。這些結構描述了電子傳輸層(ETL)和電洞傳輸層(HTL)在鈣鈦礦吸收層周圍的排列方式。
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NIP結構(負-本徵-正)
在NIP結構中，電子傳輸層(ETL)位於鈣鈦礦(Perovskite)吸收層之下，而電洞傳輸層(HTL)位於吸收層之上。NIP結構中常用的材料包括：
-ETL材料：
-TiO₂(二氧化鈦)：由於其高電子遷移率和透明性，TiO₂被廣泛使用。它能夠與鈣鈦礦形成良好的界面並有效提取電子。
-SnO₂(二氧化錫)：SnO₂是TiO₂的常見替代品，具有更好的熱穩定性和工藝性，並且在高效裝置中頗受歡迎。
-ZnO(氧化鋅)：ZnO以其高電子遷移率著稱，但在與鈣鈦礦相互作用時可能會有穩定性問題。
-HTL材料：
-Spiro-OMeTAD：這是NIP鈣鈦礦太陽能電池中最常用的HTL材料之一，因為它在電洞提取方面具有高效率。
-PTAA(聚三芳胺)：這是另一種用於改善穩定性和效率的HTL材料。
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PIN結構(正-本徵-負)
在PIN結構（又稱為反向結構）中，排列順序相反。電洞傳輸層(HTL)位於鈣鈦礦層(Perovskite)之下，而電子傳輸層(ETL)位於鈣鈦礦層之上。
-HTL材料：
-PEDOT:PSS：PEDOT:PSS是PIN結構中廣泛使用的材料，成本效益高，且易於加工，但其在穩定性和耐久性方面有一定的限制。
-PTB7：PTB7是常用於反向鈣鈦礦太陽能電池中的聚合物HTL材料，以其柔韌性和電洞傳輸效率聞名，並能與鈣鈦礦層結合，提升設備性能。
-PTAA：與NIP結構一樣，PTAA也用於PIN結構中，以提高其電洞提取效率和穩定性。
-NiOx(氧化鎳)：以其熱穩定性和高載流子遷移率著稱，NiOx也是一種常見的電洞傳輸材料。
-ETL材料：
-PCBM (甲基酯富勒烯衍生物)：PCBM是PIN結構中常用的ETL材料，以其高電子遷移率和與有機材料的良好兼容性而著稱。
-BCP (Bathocuproine)：這種材料能增強電子提取效果，並作為有效的屏障來防止電洞回流，從而提高裝置的整體穩定性和效率。
-C60 (富勒烯)：一種富勒烯分子，因其優異的電子遷移率及能與鈣鈦礦層形成良好匹配的能級排列而被廣泛使用。
疊層太陽能電池 (Tandem Solar Cells)
疊層太陽能電池通過堆疊多層光伏材料來捕捉更廣的太陽光譜，從而提高整體效率。鈣鈦礦材料因其可調節的帶隙而非常適合用於疊層電池，允許它們與其他材料（如矽）結合，吸收不同波長的光。這種組合可以實現創紀錄的效率，鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池的效率已超過33%。
疊層太陽能電池的關鍵優勢在於它們能夠堆疊吸收特性不同的材料，最大化轉換的太陽能電量。
鈣鈦礦太陽能電池的優勢
1.可調節的帶隙：鈣鈦礦材料的帶隙可以進行調節，允許它們捕捉太陽光譜的不同部分，並能針對特定應用（尤其是疊層電池）進行優化。
2.高光吸收效率：鈣鈦礦是直接帶隙材料，這意味著它們即使在非常薄的層中也能有效吸收光，這使得它們非常適合用於輕量且靈活的太陽能電池。
3.低成本製造：鈣鈦礦太陽能電池可以使用簡單的溶液處理技術製造，如旋塗法、槽塗法或噴墨印刷，這使得大規模生產比傳統的矽基電池更具成本效益。
挑戰與未來展望
儘管鈣鈦礦太陽能電池具有巨大潛力，但它們仍面臨一些挑戰，尤其是在濕度、熱量和紫外線暴露下的穩定性問題。此外，鉛基鈣鈦礦中的鉛毒性也是一個關注點，促使研究人員持續尋找如錫基鈣鈦礦等無鉛替代材料。
補充參考
Naveen Kumar Elangovan, Raju Kannadasan, B.B. Beenarani, Mohammed H. Alsharif, Mun-Kyeom Kim, Z. Hasan Inamul, "Recent developments in perovskite materials, fabrication techniques, band gap engineering, and the stability of perovskite solar cells," Energy Reports, vol. 11, pp. 1171-1190, 2024.
Muhammad Noman, Zeeshan Khan, Shayan Tariq Jan, "A comprehensive review on the advancements and challenges in perovskite solar cell technology," RSC Advances, vol. 14, pp. 5085-5131, 2024.
Ramkumar Vanaraj, Vajjiravel Murugesan, Balamurugan Rathinam, "The Role of Optimal Electron Transfer Layers for Highly Efficient Perovskite Solar Cells—A Systematic Review," Micromachines, vol. 15, no. 859, 2024.
