【研究成果】同位素標記與核磁共振光譜追蹤,探索新世代太陽能電池材料——鈣鈦礦

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  蔡宜靜 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 二維有機無機混成鈣鈦礦(BA)2(MA)Pb2I7、(PEA)2(MA)Pb2I7 (n = 2)分子結構

近年來各國對氣候的異常有目共睹,氣候變遷、能源乾涸問題衝擊著人類習以為常的安逸生活,為改善能源問題,各國更是陸續提出「2050淨零排放」計畫, 淨零轉型不約而同的成為各國的目標,綠色能源的發展更是「淨零排放」的成敗關鍵,然而替代能源的最佳首選——太陽能更是扮演至關重要的角色,也因此光學性質優異的鈣鈦礦材料(Perovskite)受到越來越多的關注。

有機無機混合鈣鈦礦——潛力無窮的太陽能電池材料

世界各國對石油以外的替代能源需求日漸急迫,而最容易取得、能量也最充沛的太陽能自然地成為再生能源的熱門首選,目前作為商業主流的矽晶太陽能電池因為體積厚重龐大,導致運用發展受限;然而有機-無機鈣鈦礦(organic–inorganic hybrid perovskites, OIHPs)不僅具有優異的光學性質,生產成本也較矽晶電池低廉,目前已廣泛應用於雷射、光感測器和光觸媒,現今更是新世代太陽能電池材料的研發對象。

OIHPs在2009年由Kojima研究團隊首次應用於太陽能電池,儘管當時光電轉換效率僅能達到3.8%1,隨著更多人投入研究,近年來OIHPs光電轉換效率突飛猛進至25%2,已和商業主流——矽晶太陽能電池的表現旗鼓相當。

分子層級探索OIHPs——固態核磁共振光譜與同位素標定

有機無機混成鈣鈦礦材料分子結構為八面體,並且由帶正電荷的陽離子佔據中心的A配位,位於A配位的有機分子對OIHPs分子結構、光學與光電轉換效率影響重大,特別是對A-site與層間spacer由不同有機分子組成的二維鈣鈦礦而言,因此觀測鈣鈦礦中有機分子的運動成為相關研究的重點。

有鑑於此,臺大教授陳俊維攜手中研院余慈顏博士,利用固態核磁共振光譜學(solid-state NMR spectroscopy)配合同位素標記(isotopically labeling)技術直接從分子層級觀察2D-OIHPs運動模式。研究團隊利用同位素標定(isotopically labeled) A-site的有機分子,並將其作為鈣鈦礦合成材料,讓材料中的有機分子具有同位素標定的異核原子對,再進一步利用固態核磁共振光譜收集分子資訊,透過量測得到受異核原子對運動所平均的偶極-偶極作用(motional averaging of dipole-dipole interaction),來探索分子運動、結構、相變及光電轉換效率的相關資訊。

OIHPs分子層級研究成果——促使再生能源發展邁進!

研究團隊運用固態核磁共振光譜學配合穩定同位素標記技術,成功發展探索A配位陽離子動力學的方法,並獲得其於不同運動模式的平均偶極耦合等分子層級資訊,為二維鈣鈦礦材料提供更直接的觀測方法,使學術研究更快速、準確解析二維鈣鈦礦材料,也更有利於綠色再生能源的推動。


參考文獻

[1] Kojima, A.; Teshima, K.;Shirai. Y.: Miyasaka, T., Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of the American Chemical Society 2009. 131 (17), 6050-6051.

[2] Bush, K. A. et al. Minimizing current and voltage losses to reach 25% efficient monolithic two-terminal perovskite–silicon tandem solar cells. ACS Energy Lett 2018. (3), 2173–2180.

[3] Lin CC, Huang SJ, Wu PH, et al. Direct investigation of the reorientational dynamics of A-site cations in 2D organic-inorganic hybrid perovskite by solid-state NMR. Nat Commun. 2022;13(1):1513

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