一、太陽能電池介紹

    第一代以晶硅為主，第二代以薄膜電池为主，典型代表為銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）電池，第三代以鈣鈦礦為代表的新型太陽能電池。

     1839年德國礦物學家Gustav Rose發現了鈦酸鈣（CaTiO3）的結構，並以俄國礦物學家Lev Perovski的姓氏命名，被公認為是”鈣鈦礦”名詞的起源，而具有與CaTiO3相同類型晶體結構(ABX3)的材料，則被稱為鈣鈦礦結構材料。

二、第一代至第三代差異比較表    

三、何謂鈣鈦礦太陽能電池：是一種具有潛力的光電材料，其化學組成類似於普通鈣鈦礦結構，但其晶格結構較為柔軟

•  高轉換效率：具有高吸收係數和高載子遷移率，這使得它們能夠更有效地轉換太陽能為電能。

•  低製造成本：相對於傳統的硅基太陽能電池，柔性鈣鈦礦的製造成本較低。

•  靈活性：以薄膜形式製備，使其能夠應用於彎曲的或不規則形狀的表面，這為柔性電子學和可穿戴技術提供了許多潛在應用。

•  多應用性：除了太陽能電池之外，柔性鈣鈦礦還可以應用於光電二極管、光電探測器等設備中，這擴展了其在光電領域中的應用範圍。

四、鈣鈦礦晶體結構

•  ABX₃屬於四方晶系。1個金屬-B原子與6個鹵素-X原子配位形成[BX₆]八面體結構，A原子被周圍的共享頂點的8個八面體骨架包圍在較弱的范德華力相互作用下保持結構穩定。

•  A代表一價有機或無機陽離子，如甲脒離子（HC(NH₂)₂⁺）甲銨離子（CH₃NH₃⁺）、銫離子（Cs⁺）、銣離子（Rb⁺），或多種陽離子混合等。

•  B代表二價金屬陽離子，如鉛離子（Pb²⁺）、錫離子（Sn²⁺），鍺離子（Ge²⁺），或多種金屬離子混合等。

•  X代表一價鹵素陰離子，如溴離子（Br^-）、碘離子（I^-）、氯離子（Cl^-），或多種鹵素離子混合等。

六、光能轉電能原理主要分為以下5個過程

•  光子吸收過程：受到太陽光輻射時，電池的光吸收層材料吸收光子產生受動。激子的擴散長度夠長，激子在運動過程中發生複合的幾率較小，庫侖力作用束縛的電子-電洞對，即激子。

•  激子擴散過程：激子產生後不會停留在原處，會在整個晶體內移動。激子的擴散長度夠長，激子在運動過程中發生複合的幾率較小，大機率可以擴散到界面處。

•  激子解離過程：鈣鈦礦材料的激子結合能小，在鈣鈦礦光吸收層與傳輸層的界面處，激子在內建電場的作用下容易發生解離，進而成為自由載流子。

•  載子傳輸過程：激子解離後形成的自由載子，其中自由電子透過電洞傳輸層向陽極傳輸。

•  電荷收集過程：自由電子通過電子傳輸層後被陰極層收集，自由電洞通過電洞傳輸層後被陽極層收集，兩極形成電位差，電池與外加負載構成閉合迴路，迴路中形成電流。

七、鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

八、鈣鈦礦太陽能電池結構特點

•  金屬對電極：收集空穴及電子之電子載流子；通常以Au、Ag及Al等導電金屬，順式-Au，反式-Ag。

•  空穴傳輸層：傳輸空穴載流子，並阻擋电子在該層的遷移，同時該層還起到了防止鈣鈦礦層與電極直接接觸引起電池内部電路短路的作用；主要可分為以Spiro-OMeTAD、PTAA、PDPPDBTE等為代表的有機類材料及以NiO、CuI、CuSCN、CuO、Cu₂O等為代表的無機類材料。

•  柔性鈣鈦礦：置於中心位置，主要負責吸收光能量，並生成載流子；甲胺碘化鉛（MAPbI3）和甲脒碘化鉛（FAPbI3）等等。

•  電子傳輸層：高效率傳輸電子，阻擋電穴向陰極方向移動，避免電穴-電子對分離不徹底從而造成載子在電池內部積累；主要包含TiO₂、SnO₂、Al₂O₃等金屬氧化物及一些有機物材料。

•  透明導電(薄膜/玻璃) ：電池的各層均在導電玻璃/薄膜上(高透光)；FTO或ITO導電玻璃/薄膜。

九、鈣鈦礦太陽能電池結構特點

十、鈣鈦礦太陽能電池應用

•  太陽能電池：最為廣泛研究的應用之一。其高轉換效率和低製造成本，被視為下一代太陽能技術的有潛力候選者。它們可以應用於屋頂、窗戶、建築外牆等各種表面，同時也可以用於便攜式和可穿戴式電子產品。

•  光電二極管：用於製造高效的光電二極管，用於顯示技術、光通信、感測器等設備中。由於其高吸收係數和高載子遷移率，具有優異的光電性能。

•  光電探測器：用於製造高靈敏度和高速度的光電探測器，用於光學通信、遠程感測等應用中。

•  柔性電子學：可以在彎曲的或不規則形狀的表面上製造，使得非常適合於柔性電子學應用，如可穿戴技術、柔性顯示屏、柔性電路等。

•  光催化：也被研究用於光催化應用，如水分解、二氧化碳還原等，這對於解決能源和環境問題具有重要意義。

十一、參考文獻

[1] https://www.mirrormedia.mg/story/20221228ind002

[2] https://www.sohu.com/a/322347477_749304#google_vignette

[3] https://www.abpv360.com/a/4067

[4] https://www.jiuyangongshe.com/a/8twky5129m

[5] https://www.laohu8.com/post/669937331

[6] http://www.sztspi.com/archives/147996.html

[7] https://www.x-mol.com/groups/Tsinghua-EEA-312lab/news/33381

[8] https://news.cnpowder.com.cn/50500.html

[9] https://www.futuretech.org.tw/futuretech/index.php?action=product_detail&prod_no=P0008700001350