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.
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