【第六屆鈣鈦礦論壇】從分子設計到自組裝接觸：林彥多解析電洞傳輸材料的疊層路徑

鈣鈦礦太陽能電池持續提升效率，除了吸光層本身，負責導出電荷的界面材料同樣左右元件表現。東吳大學林彥多教授從有機合成出發，說明如何像組合積木般調整分子核心、橋接基團與取代位置，建立結構與光電特性之間的關聯。研究主線也由傳統電洞傳輸材料，延伸至反式元件所需的自組裝電洞選擇性接觸，回應疊層與大面積製程的需求。

電洞傳輸層不只是配角，分子結構決定輸出

在正置 N-I-P 元件中，Spiro-OMeTAD 是常見的電洞傳輸材料（HTM, Hole-Transport Material），但其合成程序較複雜，電荷傳輸也常需依賴添加劑。林彥多以有機合成作為材料設計工具，嘗試用較簡潔的平面分子骨架取代複雜立體結構，並逐一比較長鏈、共軛橋接與電子受體單元對溶解度、分子堆疊及能階的影響。

研究顯示，材料並非愈複雜愈有效，若溶解度已符合製程需求，額外長鏈反而可能干擾分子排列；連續的共軛系統則有助於電荷傳輸。團隊再透過受體單元與氟化策略調整能階、疏水性及界面作用，使多組材料在元件中達到超過 20% 的光電轉換效率。電洞傳輸材料的關鍵，不是堆疊更多化學結構，而是讓能階、分子排列與界面作用彼此匹配。

從快速合成到塗佈，材料必須回應製程尺度

材料若要走出實驗室，合成步驟與成膜方式都必須納入設計。林彥多介紹一條可在室溫快速完成核心結構的合成路徑，反應時間不到五分鐘，後續也能以較簡單的方式取得固體材料。這項思路把研究焦點由單一元件效率，進一步推向反應條件、材料取得與製程相容性的整體評估。

團隊也將材料導入刮棒塗佈（bar coating），先形成鈣鈦礦薄膜，再以相同方式塗佈電洞傳輸層，驗證 10 × 10 公分基板上的成膜可行性。這並不等同於完整面積的效率認證，卻說明分子溶解度與成膜性必須在材料設計階段同步考量。可商業化的電洞傳輸材料，必須同時通過分子性能、簡化合成與可放大成膜三道關卡。

自組裝接觸串起反式、疊層與大面積元件

面向反式 P-I-N 元件，自組裝單分子層（SAM, Self-Assembled Monolayer）可在透明導電電極表面形成有序且極薄的電洞選擇性接觸。團隊以供體－受體結構與不同取代位置調控能階、偶極與界面鈍化效果，並藉由分子內作用提升分子平面性及界面排列，讓材料能同時服務室內光伏、單接面與疊層架構。

在合作研究中，共自組裝策略使單接面元件效率達到 25%；進一步導入疊層系統後，小面積元件達 29.66%，放大至約 8.88 平方公分仍維持 29%。自組裝電洞選擇性接觸的價值，在於用奈米尺度的分子排列，銜接高效率反式元件、疊層整合與面積放大。從材料合成到界面控制，這條路徑顯示下一階段競爭將不只比較最高效率，也將比較材料能否穩定製造並進入放大製程。