撰稿 / 朱舢樺 (科學推展中心特約編輯)
圖1. 新材料spiro-1和spiro-2之結構及合成步驟（η為光電轉換效率；＄為每克所需成本）
你有想像過綠色能源普及化的未來嗎？人類朝向此理想目標之發明又邁進一大步。為解決全球暖化、海平面上升和極端氣候的危機，國際間積極推動減碳，已是刻不容緩，希望能在2050年達到淨零碳排放的目標。尤其是在發展再生能源方面，運用太陽能發電成為再生能源的一大主力。
鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cells , PSCs）為新一代太陽能電池，電池元件中一個重要組成為「電洞運輸層材料（hole-transporting material , HTM）」。為改善解決典型「電洞運輸層材料」製備過程繁複，成本高昂的缺點，東吳大學化學系林彥多副教授研究團隊著手投入新材料的研發，開發出了兩種新材料，不僅合成步驟簡單、成本低，且比起典型的電洞運輸層材料有更加卓越的穩定性，並在中研院化學所陶雨臺教授和長庚大學化工與材料工程學系李坤穆教授共同合作下，製備出具有優異光電轉換效率（power conversion efficiency, PCE）之鈣鈦礦太陽能電池元件。本研究在今年（2023）的2月發表於Chemical Engineering Journal。
太陽能發電的原理是利用陽光照射到太陽能板上時，電子就可以獲得動能並移動以產生電流。鈣鈦礦太陽能電池中的一個組成「電洞傳輸層材料」在此種電池中扮演了重要的角色，可以促進電子和電洞的移動，也可以增進電池元件的穩定性。
在典型的鈣鈦礦太陽能電池中，會使用一種名為“spiro-OMeTAD”的有機小分子結構來作為電洞傳輸層材料，此材料雖有優異光電轉換效率之優點，但致命的缺點為其合成和純化的過程十分繁複，需要花費高成本來製造，因此不利於商業化和普及使用。
新材料spiro-1和spiro-2的分子結構與合成
過往有許多研究團隊使用CPDT（Cyclopenta[2,1-b:3,4-b’]dithiophene）作為螺旋型(spiro type)電洞傳輸層材料，但合成和純化的步驟依舊太過繁複。本研究所採用的材料為具有D-A-D（donor-acceptor-donor）結構的有機小分子。此種分子有著很強的分子間作用力，電子和電洞也很容易在其中移動，是很好的電洞運輸層材料，採用此材料也可使電池產生更高的電壓。
本研究中，化合物spiro-1和spiro-2只需要2個步驟來合成（如圖1）。首先，在空氣中且室溫下就可以獲得螺旋型分子結構，並透過嫁接甲氧基取代之三苯胺衍生物作為電子予體，即可得上述兩個目標化合物。因新型材料合成步驟少，所以成本低。研究團隊估算合成及純化出一克的spiro-1和spiro-2別僅需美金51.24元和95.12元。相較之下，典型材料“spiro-OMeTAD”合成及純化一克成本約需美金170至475元之間，價格較新型螺旋型材料高出許多。
新材料的優異性質
研究團隊從熱學、光電學、電化學性質等等不同的面相切入，對典型材料spiro-OMeTAD以及新研發材料spiro-1和spiro-2的性質做了系統性的研究。其中，在穩定性方面，研究團隊分別使用了這三種材料製作太陽能電池，在不同的條件下測試電池的穩定性。如圖2，橫軸代表時間，縱軸代表性能，黑色和紅色的線分別代表spiro-1和spiro-2兩種新材料，藍色線則表示典型材料spiro-OMeTAD。可以看出，在室溫下【圖2（a）】、85℃的高溫環境中【圖2（b）】、和連續光照下【圖2（c）】，過了一段時間後，典型材料spiro-OMeTAD的性能大幅下降，但與此同時，兩種新材料依舊維持著超過80%的原始性能。顯示了新材料有著比典型材料更高的穩定性。
圖2. 不同材料的電池在不同條件下的穩定性【（a）為在室溫下；（b）為在高溫下；（c）為連續光照下】
另一重要指標是光電轉換效率，也就是太陽能電池把光能轉換成電的能力。用這兩種新材料所製作出的太陽能電池，其光電轉換效率分別是優異的21.67%（spiro-1）和19.65%（spiro-2），spiro-1更超越典型材料spiro-OMeTAD（20.59%）【圖3】。
圖3. 不同材料之鈣鈦礦太陽能電池效率圖 (縱軸是電流密度，橫軸是電壓，從這張圖所得的數值可以算出光電轉換效率)
由上可知，新型之螺旋型電洞傳輸層材料，具有高效率及高穩定性，對於未來發展大面積製成之鈣鈦礦太陽能電池有相當大的助益及前景。
