【第六屆鈣鈦礦論壇】從光譜匹配到界面重構：陳方中解析室內鈣鈦礦能量採集

物聯網裝置快速增加後，感測器、控制器與顯示元件如何取得持續且分散的電力，成為系統部署的重要課題。國立陽明交通大學陳方中教授以反式鈣鈦礦太陽能電池為核心，說明如何依室內光源重新設計能隙、界面與薄膜結構，讓元件不再只追求戶外日照下的效率，也能回應低照度環境的能量採集需求。這項研究將鈣鈦礦由太陽能發電材料，推向可支援物聯網節點的微型電源。

室內光不同於太陽光，元件設計必須重算

室內照明的光譜比太陽光窄，功率密度也低得多，常見應用環境約落在數百至 1,000 lux。若直接沿用戶外太陽能電池的材料配置，吸收範圍與輸出電壓未必能有效匹配 LED 或螢光燈光源。陳方中指出，室內光伏的重點不是複製日照條件，而是針對光源重新尋找最適合的材料能隙。

團隊依細緻平衡模型與蕭克利－奎伊瑟極限（Shockley-Queisser Limit）分析兩種代表性室內光源，結果顯示在 1,000 lux 下，最佳能隙會由戶外單接面元件常見的約 1.34 eV，移向接近 1.9 eV 的寬能隙區間，理論效率上限約為 60%。室內能量採集的核心，不是吸收更多太陽光，而是讓材料能隙精準對應室內照明的窄光譜。

寬能隙提高電壓，也帶來相分離與缺陷

鈣鈦礦可透過鹵素組成調整能隙，這項材料彈性使其特別適合室內光伏。增加溴比例可拓寬能隙並提高開路電壓，但也容易引發鹵素離子分離，使薄膜出現缺陷並損害元件表現。團隊因此在反式 PIN 元件中同步處理組成與界面，避免只追求能隙數值而犧牲載子傳輸。

研究採用螯合劑型缺陷鈍化，利用多個官能基與鈣鈦礦表面作用，降低缺陷並改善晶粒之間的電荷傳導。經過能隙與表面工程後，寬能隙元件在室內光源下展現比低能隙材料更合適的輸出特性。能帶工程決定元件吸收哪一段光，界面工程則決定產生的電荷能否順利被收集。

薄膜重構，讓室內光伏走向穩定輸出

僅在表面加入鈍化分子，未必能接觸所有缺陷位置。團隊進一步提出溶劑輔助重構策略，在反溶劑中加入少量溶劑，使鈣鈦礦表層於成膜過程中重新排列，改善薄膜品質與界面接觸。這項方法同時著眼於缺陷、效率與穩定性，讓寬能隙材料更接近室內能量採集所需的工作條件。

透過重構鈍化策略，團隊在 2,000 lux 的室內照明下達成約 44% 的光電轉換效率，並同步改善元件穩定性。高效率室內光伏不是單一材料配方的結果，而是光譜、能隙、薄膜結晶與電極界面的整體協作。對分散式感測與物聯網應用而言，下一步仍需把實驗室效率延伸至不同光源、長時間操作與可放大製程，才能形成可靠的自供電節點。