【第六屆鈣鈦礦論壇】從無鉛材料到疊層架構：刁維光解析鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩定

鈣鈦礦太陽能電池快速提升光電轉換效率後，研究焦點正由單一元件的紀錄競逐，延伸到材料安全、製程穩定與疊層整合。國立陽明交通大學應用化學系刁維光教授以鈣鈦礦與疊層太陽能電池為題，說明團隊如何從無鉛錫鈣鈦礦的界面設計出發，逐步推進高效率有鉛元件、全鈣鈦礦疊層與鈣鈦礦／矽疊層。這條研發路徑顯示，效率數字之外，材料化學與元件工程必須同步前進。

無鉛錫鈣鈦礦，先從結構與界面解題

以錫取代鉛並不是單純更換元素。刁維光指出，錫二價容易在元件操作過程中氧化為較穩定的錫四價，因此無鉛錫鈣鈦礦多採反式 PIN 結構，讓光照產生的電洞更快被傳輸層帶走。常見的 PEDOT:PSS 雖能支援高效率，卻具有吸濕性，水分會加速錫的氧化與元件劣化，使效率與耐久度難以兼顧。

團隊發展兩步交叉製程，將鈣鈦礦成膜與界面層處理分開，藉此導入疏水導電高分子、氧化鎳及自組裝單分子層（SAM, Self-Assembled Monolayer）等替代材料。這些界面分子一端固定於透明電極，另一端與鈣鈦礦接觸，可調整載子傳輸並降低界面缺陷。無鉛鈣鈦礦的突破，不只取決於吸光層本身，更取決於界面能否同時控制氧化、缺陷與載子移動。

從旋轉塗佈走向可放大的製程設計

實驗室常用的旋轉塗佈適合小面積元件，卻不易直接延伸到大面積製造。刁維光團隊進一步結合刮刀塗佈與浸鍍，並以溶劑環境、添加劑及分子結構調整結晶過程，讓兩步製程具備放大潛力。團隊也從非輻射復合與離子遷移著手，降低能量損失與材料劣化，將可重現的無鉛錫鈣鈦礦元件效率推進至 15%。

這套策略同樣回到界面鈍化與製程相容性。透過鹽類與分子添加劑修飾有鉛鈣鈦礦，團隊完成快掃與穩態效率認證，為後續疊層元件準備高品質的寬能隙子電池。要讓高效率跨出實驗室，製程必須從一次性的最佳元件，轉向可重現、可放大且能承受長時間操作的材料系統。

光譜分工，讓疊層突破單接面限制

疊層太陽能電池（Tandem Solar Cell）的核心是光譜分工：寬能隙上層電池先吸收高能量可見光，低能隙下層電池再利用穿透的紅光與近紅外光。刁維光說明，上層材料約落在 1.5 至 2.0 eV，下層則約為 0.8 至 1.2 eV，兩者必須在能隙、電流與界面傳輸上精準配對。團隊的全鈣鈦礦疊層元件達到 28.1% 光電轉換效率，並以最大功率點追蹤（MPPT, Maximum Power Point Tracking）進行約 500 小時穩定性測試。

另一條路徑是將寬能隙鈣鈦礦與成熟的矽電池結合，透過添加劑調整鈣鈦礦層與界面品質，持續縮小與世界紀錄的差距。疊層技術的價值，是讓不同能隙材料各自處理最適合的光譜，把單一材料的限制轉化為系統協作。對台灣材料、光電與半導體產業而言，能隙調控、界面穩定與大面積製程的整合，將是疊層太陽能走向實際應用的共同課題。