光電材料

人類自工業革命後充分地利用地球的資源，造成了全球暖化這個人類不願面對的事實。氣候變遷所造成的生態浩劫遍佈全球，這主要肇因傳統火力發電所造成的環境汙染；若能以綠色能源替代石化能源則可大幅減少全球碳排放量，為此各國積極推動國際太陽能聯盟，因此太陽能電池領域的研發對於未來再生能源的貢獻至關重要。太陽能電池產業目前還是以結晶矽材料所製備的元件與模組為應用大宗，然而矽晶太陽能電池本身就是屬於一個耗能的產業，而且在弱光下的光電轉換效率極差；新一代的太陽能電池例如染料敏化(DSSC)與有機太陽電池(OPV)則效率無法有效提升，因此本實驗室基於之前期執行染料敏化太陽能電池所累積的豐碩經驗與成果，目前專注於新型鈣鈦礦太陽能電池材料與元件之研發。全固態鈣鈦礦太陽能電池自2012年開始發展至今(2017)，其光電轉換效率(PCE) 即從一開始的10 %提升至22 %，其在光伏元件的應用上潛力無窮，但鈣鈦礦材料本身尚有一些問題需要解決。目前所使用的有機無機混成鈣鈦礦材料中，其中心金屬為鉛；而鉛對環境的污染會造成人體產生疾病，因此開發高效能穩定的無鉛鈣鈦礦材料即為鈣鈦礦太陽能電池商業化的當務之急。因此本實驗室在鈣鈦礦太陽電池方面的研究主題中將致力於發展無鈣鈦礦太陽能電池，我們希望能開發出穩定且高效能之無鉛鈣鈦礦元件為目標；在元件穩定性方面我們希望發展出高效能碳電極鈣鈦礦太陽能電池，並以開發出高效能大面積的碳電極鈣鈦礦電池為目標；另外我們也開發石墨烯電極鈣鈦礦太陽能電池，並希望能開發出高效能大面積的可撓曲鈣鈦礦電池為目標。傳統鈣鈦礦太陽能電池元件結構如下圖所示，不論是n型(n-i-p)或p型(p-i-n)的鈣鈦礦電池，都需使用昂貴的有機電洞或電子傳輸材料，且需蒸鍍金或銀等貴金屬電極，使得製程繁複且設備與材料成本皆大幅提升。因此在鈣鈦礦電池商業化的進程中，改善元件穩定性與降低製程與材料之成本是其首要目標，也是本實驗室的研究重點。

本實驗室將碳電極應用在鈣鈦礦太陽能電池，在傳統介觀多孔性的元件結構基礎下，我們用碳電極取代了貴金屬電極(Au/Ag)，並利用CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦自身優越的電荷傳輸特性取代有機電洞或電子傳輸材料，其元件結構如下圖所示，其電池元件組成為FTO/dense-TiO₂/m-TiO₂-perovskite/ m-Al₂O₃-perovskite/Carbon，其中多孔性二氧化鈦(m-TiO₂)與碳電極分別為電子與電洞傳輸材料，多孔性二氧化鋯(m-Al₂O₃)則為兩材料間的阻隔層，避免二氧化鈦上的電子和碳電極上的電洞結合。碳電極鈣鈦礦元件的結構簡單、材料成本低廉，其製程又以單一的網印法為主，深具商業化的潛力，但目前參與研究的團隊較少，本實驗室以低溫慢速結晶的方式製作的元件效率最高可達15 %，為目前文獻報導中的最高紀錄，其結果已發表在著名期刊J. Mater. Chem. A。