告別短命鈣鈦礦？最新技術讓太陽能電池更持久
鈣鈦礦太陽能電池因高效能與低成本製造技術而備受矚目，然而其材料不穩定性與鉛毒性問題一直是商業化的主要障礙。近期，北京大學研究團隊開發的碘插層技術突破了這一瓶頸，透過碘離子調控鈣鈦礦結構，降低α-FAPbI₃形成的能障，並透過退插層技術確保材料純度與穩定性。此技術使太陽能電池效率達24%以上，且在高溫環境下運行1180小時後仍保持99%的原始效率。這項突破性進展，或將加速鈣鈦礦太陽能技術的商業化，引領未來能源革命！
撰文｜黃鼎鈞
什麼是鈣鈦礦？
鈣鈦礦 (Perovskite) 最初指的是一種天然礦物CaTiO3，但在現代科技領域，鈣鈦礦通常泛指具有相同晶體結構的一類材料，特別是金屬鹵化物鈣鈦礦 (Metal Halide Perovskites)，這類材料的通式為ABX₃，其中A是有機或無機陽離子，例如甲基銨 (MA+) 或甲脒 (FA+)；此外，銫 (Cs+) 也是一種常見的無機陽離子選擇，能夠提高材料的熱穩定性，例如，有機鈣鈦礦如MAPbI₃和FAPbI₃具有良好的光電性能，而無機鈣鈦礦如CsPbI₃則在高溫環境下更加穩定；ABX₃中的B是金屬陽離子，如鉛 (Pb²⁺) 或錫 (Sn²⁺)；X則是鹵素陰離子，如碘 (I⁻)、溴 (Br⁻) 和氯 (Cl⁻)，這些材料因其卓越的光電特性，例如高光吸收能力、高載子遷移率以及低成本製造，已廣泛應用於太陽光電系統、LED顯示器、雷射及光感測器等領域，成為近年來最受矚目的新興材料之一。
鈣鈦礦在現代科技中的重要性
由於鈣鈦礦的優異光電特性，鈣鈦礦太陽能電池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) 是近年來最受矚目的新興太陽能技術之一，自2009年首次應用於太陽能電池以來，其能量轉換效率 (Power Conversion Efficiency, PCE) 已從3.8%提升至超過25%，幾乎與矽基太陽能電池並駕齊驅。除了高效的光電轉換外，鈣鈦礦薄膜還能透過低溫溶液製成，降低生產成本並簡化製造流程，而且其薄膜靈活，可以以撓曲的型態呈現，被應用於建築物玻璃以及穿戴式新型設備的應用。不只如此，藉由調整不同的化學組成，能改變鈣鈦礦的能隙大小，以致於改變光吸收範圍，可以適應不同場景的光電應用。
鈣鈦礦發展的困境
鈣鈦礦的發展中最具挑戰性的是其材料穩定性，目前在光電效率上表現最好的FAPbI₃（甲脒鉛碘），在一般日常的環境中容易因濕度、氧氣、熱或光照而分解，造成材料結構產生不可逆的變化，轉變為對光不活耀的材料相態，也就是說從對光活耀的α相轉變為對光不敏感的δ-相，因此性能嚴重下降。再來就是製程上的挑戰，若要提高鈣鈦礦太陽能電池的應用，通常需要將摻雜 (Doping) 或者合金化 (Alloying) 來提升穩定性，但這些額外的組成元素容易造成材料結晶不均勻以及介面缺陷，故在生產上難以達到材料的一致性，難以進行大規模的生產。最後則是材料的毒性問題，目前最具競爭力的鈣鈦礦材料含有鉛 (Pb)，雖然其對環境的影響相對有限，但若發生大規模洩漏，仍可能對水源及土壤造成汙染。因此，許多研究團隊正積極開發無鉛替代方案，如錫 (Sn) 基鈣鈦礦，但這類材料的穩定性遠低於鉛基鈣鈦礦。
最新突破：碘插層技術提升鈣鈦礦穩定性
2025年初，北京大學研究團隊在《Science》期刊上發表了一種突破性的技術，能夠進一步增強鈣鈦礦的穩定性，這樣的技術被稱為「碘插層技術」(Intercalation)，他們在製備鈣鈦礦的時候，摻雜碘 (I₂)，使材料產生許多碘陰離子 (I₃⁻)，進而促進PbI的形成，這一個步驟會降低α-FAPbI₃形成的能障，使具有對光敏感的相態更容易產生，或許你會困惑，前面我們提到的摻雜不是會造成材料品質下降嗎？這一篇研究中，他們在材料製備後，繼續進行熱退火，此步驟稱為碘退插層 (Decalation)，可以使碘分子揮發，確保確保最終的鈣鈦礦薄膜具有更高的純度、均勻性與穩定性。而這一個團隊所取得的鈣鈦礦材料能使太陽能電池達到超過24%的能量轉換效率，且具有高度穩定性，在85 ℃環境下運行1180小時後，仍保持99%的原始效率。這項研究提供了一種全新的製造策略，解決了困擾科學家多年的鈣鈦礦穩定性瓶頸，大幅提升了鈣鈦礦太陽能電池的實用性與商業可行性。
隨著這些技術突破，鈣鈦礦太陽能電池的全面商業化或許已不再遙遠，未來，這種材料有望取代傳統矽基電池，推動更高效、更環保的太陽能技術，為全球能源革命帶來新的契機！
參考文獻
- Jung, H. S., & Park, N. G. (2015). Perovskite solar cells: from materials to devices. small, 11(1), 10-25.
- Zhang, Y., Chen, Y., Liu, G., Wu, Y., Guo, Z., Fan, R., ... & Zhou, H. (2025). Nonalloyed α-phase formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation. Science, 387(6731), 284-290.