第二章 理論基礎與文獻回顧
2.2 鈣鈦礦太陽能電池簡述
鈣鈦礦，英文名perovskite，是一種普通的金屬有機化合物晶體，主 要成分是鈦酸鈣（CaTiO3）。1839 年德國礦物學家古斯塔夫•羅斯（Gustav Rose）在俄羅斯中部境內的烏拉爾山脈上發現了一塊特殊的岩石樣本，
於是決定以他心中所崇拜的偉大地質學家Lev Perovsk 來命名這個礦石
。不過後來我們普遍指的鈣鈦礦電池（全稱：鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太 陽能電池）並不是用這個礦石材料製成的，而是使用了與鈣鈦礦晶體結 構相似的化合物。
鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池以其結構簡單、製備成本低廉等
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易在電池的液體電解質發生水解，導致電池穩定性低，壽命短。
2012 年 8 月，由格拉茲爾（Gratzel）領導的韓國成均館大學與洛桑 理工學院實驗室將一種固態的空洞傳輸材料（hole transport materials，
HTM）引入太陽能電池，電池效率一下提高到了 10%，也解決了電池不 穩定的問題，也比以前更容易封裝。
2013 年，牛津大學的亨利•司奈斯（HenrySnaith）將電池中的 TiO2 用鋁材（Al2O3）代替，鈣鈦礦不僅成為了光的吸收層，也同時是傳輸電 荷的半導體材料。鈣鈦礦電池的轉換效率一下攀升到15％。
2014 年 8 月，加州大學洛杉磯分校的華裔科學家楊陽領導的研究團 隊，在《科學》期刊上發表最新研究論文稱，他們通過改進鈣鈦礦結構 層，選擇更適合傳輸電荷的材料，讓電池兩端的電極能收集更多的電，
其轉換效率最高達到了20.1％，成為此領域之最。
圖 2. 4 鈣鈦礦染料敏化太陽能元件層別組成示意圖
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圖2. 5 太陽能電池效能提升進化史
2.2.2 光吸收敏化材料晶體結構
如圖 2.6 所示，鈣鈦礦的結構是 ABX3的形式。這種結構在每個角 共用一個BX6正八面體，其中B 是金屬陽離子（Sn2+或Pb2+），X 是一 價陰離子（Cl－，Br－或I－）。鈣鈦礦中的陽離子A 被用來抵消電荷使材 料達到電中性，它可以是半徑較大鹼金屬離子等，甚至可以是一個分子。
這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質，比如吸光性、電 催化性等等，在化學、物理領域有不小的應用。鈣鈦礦大家族裡現已包 括了數百種物質，從導體、半導體到絕緣體，範圍極為廣泛，其中很多 是人工合成的。太陽能電池中常被使用到的鈣鈦礦（CH3NH3PbI3、 CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3…等）屬於半導體，有良好的吸光性。
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圖2. 6 鈣鈦礦晶體結構示意圖
2.2.3 鈣鈦礦太陽能電池元件構造
通常於玻璃基板上塗覆透明導電的 ITO (Indium tin oxide)為電極，
並於ITO電極上塗佈TiO2或ZnO；因TiO2 / ZnO做為工作電極(Working Electrode )其電子遷移率高，能增加電荷傳輸到電極，且為寬能隙材料，
能有效抑制激子擴散到電極，以減少電子電洞對復合。緊接電子傳輸層 之後為光敏化層( Photosensitive layer )，一般常用的鈣鈦礦光敏化層組成 大多以CH3NH3PbX3為Photosensitizer。光敏化層塗佈後蒸乾再塗佈上具 有高的電洞遷移率 (Hole mobility) ( 可高達 0.1 cm2V -1S-1) 與良好的穩 定度的電洞傳輸層材料P3HT (poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))為電洞傳 輸層材料。最後再以蒸鍍法蒸鍍電極低功率之Al金屬層當作其電極層，
一般元件構造見圖2.7[62]。
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圖2. 7 鈣鈦礦電池元件剖面圖
2.2.4 鈣鈦礦電池的優劣勢
1.優勢
(a)轉換效率進步快：5 年時間從 3.8%升到 19.3%，而 2013 年 11 月美國 科學家在最新研究中發現，新式鈣鈦礦（CaTiO3）太陽能電池的轉化 效率或可高達 50%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的 2 倍，這說 明了它還有很大的潛力值得挖掘。
(b)製作工藝簡單：實驗室中常採用液相沉積、氣相沉積工藝、液相/氣相 混合沉積工藝。
(c)發電成本低：甚至有可能會比火力發電還低。
(d)建築一體化潛力：鈣鈦礦型電池屬於薄膜電池，目前主要就是沉積在 玻璃上，還可以通過控制各層材料的厚度和材質來實現不同程度的透 明度，當然效率也會降低，不過這類應用是值得嘗試的。例如牛津大
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學的實驗室已經可以做出半透光（灰褐色）的電池。如果將採光與發 電融為一體的太陽能電池開發順利，有望成為高樓大廈幕牆裝飾、車 輛有色玻璃貼膜等的替代品。
2.劣勢
(a)有毒：鈣鈦礦電池材料含有鉛，不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、
碲、鎘相比，簡直就是小巫見大巫。而美國西北大學也已研發出一種 用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池，不過這種電池的轉換效率還只有 6 %，目前處於研發初級階段，效率還有提升空間。
(b)不穩定：鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發，而當晶體遇水時則易分解。如 果我們使用鈣鈦礦電池發電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中。
(c)壽命不長：目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到 1000 小時， 由 華中科技大學和洛桑聯邦理工學院合作研發。而傳統晶矽電池壽命一 般可達到 25 年，比鈣鈦礦電池長得多。
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