金屬鹵化物鈣鈦礦材料1因為具有較高的光吸收係數、較長的載流子擴散長度、以及可調整的能隙等優異的光電特性，在太陽供電系統（亦稱光伏）領域備受矚目。近十幾年來，鈣鈦礦太陽能電池的研究也成為熱門議題，由鈣鈦礦材料所製成的太陽能電池轉換效率也從初期研究僅 3.8％大幅提升到 25.8％［1,2］（https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html）。

然而，即使鈣鈦礦太陽能電池已能夠達到相當高的轉換效率，它在一般空氣環境下的穩定性卻不佳，因此，研究人員開始尋找提高元件穩定性的方法。近期已有研究發現，在三維（3D）鈣鈦礦材料上使用長疏水鏈的二維（2D）鈣鈦礦，形成「混維異質結構鈣鈦礦」，便能大幅提高太陽能電池的光伏性能和穩定性［3-5］。

與三維鈣鈦礦結構相比，在混維異質結構鈣鈦礦（2D／3D）太陽能電池中，透過適當的能階設計，可使其有效吸收太陽發出的光，幫助減少光轉換能量的損失，並提高載子傳輸效率。因此，混維異質結構鈣鈦礦（2D／3D）太陽能電池便成為做出更高轉換效率的光伏元件的潛力股！吸引了許多科學家紛紛投入研究。

要提高鈣鈦礦太陽能電池之光電轉換效率，可以改變不同摻雜之鈣鈦礦材料選擇、控制各種維度混合、或是控制太陽能電池的電子傳輸層、以及調整電洞傳輸層的能階設計等［6-9］。面對這個熱門的研究議題，我與研究團隊正嘗試利用「超快雷射光譜技術」取得有效資訊，提供做為製造高效能光電轉換元件的參考依據，藉此以非破壞式的量測方法，來優化異質結構設計。

對於結合 2D／3D 混維複雜鈣鈦礦及電子傳輸層／電洞傳輸層所製成的太陽能電池而言，關鍵的主題之一，便是了解材料之「超快載子動力學」，並探討「異質接面的載子傳輸機制」［10］。在極短的時間內，如飛秒（femtosecond, 10-15 s）或皮秒（picosecond, 10-12 s）時間下，「飛秒時間解析瞬態光譜（pump-probe transient absorption spectroscopy）」是一種有效觀察各種樣品激發態的載子動力學行為。與化學特性或電性量測相比，這種光學量測的方法較不會對所探測的樣品造成破壞。如圖一所示，在瞬態光譜的量測中，會使用兩道雷射脈衝來進行量測，一道是用於激發樣品，另一道則是使用連續白光來對樣品進行探測。通過改變兩道雷射脈衝的時間差，可以得到在不同時間下激發與未激發時的吸收訊號。藉由這兩種訊號，我們可以得到基態與激發態時的吸收光譜差異。其中，光譜訊號又可以被分為激發態吸收（Excited state absorption）、基態漂白（Ground state bleaching）和受激輻射（Stimulated emission）。

【專欄】如何設計高效率鈣鈦礦太陽能電池？超快雷射光譜技術神助攻！

▲圖一、飛秒時間解析瞬態光譜架構圖，探測光使用脈衝寬度 100 fs 重複率 1 kHz 的鈦：藍寶石放大器（Ti：Sapphire Amplifier laser）雷射經過藍寶石晶體所產生的超連續白光（450~750 nm），激發光則是使用光學參量放大器（OPA）所產生的藍光（400 nm），通過移動電控平移台使兩道脈衝產生時間差得到在飛秒解析的瞬態吸收變化。過去文獻指出鈣鈦礦在激發後 100 fs 內會使載子帶有能量開始運動，在飛秒（fs）時間內熱載子開始鬆弛，隨後在皮秒（ps）時間內載子進行缺陷複合或歐傑複合，最後在奈秒（ns）時間內可以看到電子電洞複合，因此利用飛秒時間解析瞬態光譜可以觀察到載子從激發到鬆弛、複合的整個過程。

過去文獻指出鈣鈦礦在激發後，在不同時間下，載子會有不同的運動行為。光激發後，在 100 飛秒內會使載子帶有能量開始運動，在飛秒（fs）時間內熱載子開始鬆弛，隨後在皮秒（ps）時間內載子進行缺陷複合或歐傑複合，最後在奈秒（ns）時間內可以看到電子電洞複合，因此，我們利用飛秒時間來解析瞬態光譜，可以觀察到載子從激發，到鬆弛、最後複合的整個過程［11］。

如圖二所示，在本次研究中透過使用飛秒時間解析瞬態光譜的技術，觀察到了在高效 2D／3D 複雜鈣鈦礦太陽能電池的超快載子提取。透過使用超快載子動力學的研究，有助於我們了解 2D／3D 雙層鈣鈦礦材料與其高效太陽能電池的工作機制，並通過此方法設計出更高光電轉換效率之太陽能電池的。

【專欄】如何設計高效率鈣鈦礦太陽能電池？超快雷射光譜技術神助攻！

▲圖二、高效 2D／3D 混維鈣鈦礦太陽能電池元件的超快載子動力學［10］。（a）2D／3D 混維鈣鈦礦太陽能電池異質結構能帶排列及 SEM 截面圖。（b）3D 鈣鈦礦太陽能電池和 2D／3D 複雜鈣鈦礦太陽能電池的 J-V 曲線及光電轉換效率。（c）3D 複雜鈣鈦礦在最佳比例時的瞬態吸收光譜。（d）利用超快時間解析光譜了解 2D／3D 雙層鈣鈦礦異質結構以及 3D 鈣鈦礦加上電子傳輸層的超快載子傳輸行為。（e）利用超快雷射光譜技術觀察到在有 SnO2 電子傳輸層的 2D／3D 雙層鈣鈦礦異質結構中具有超快載子提取（440 fs）的表現。

由於不同配比之複雜鈣鈦礦薄膜具有不同程度的「歐傑複合效應」，在這項合作研究中，研究團隊首先利用超快雷射光譜技術成功優化 3D 複雜鈣鈦礦薄膜的比例參數（FAPbI3）0.95（MAPbBr3）0.05 以減少歐傑非輻射複合效應，提高光電轉換效率。接著，再使用長有機陽離子 HTAB 作為覆蓋層，形成 2D／3D 混維鈣鈦礦異質結構，增加材料穩定性與光電轉換效率。在時間解析瞬態光譜的量測結果中可以觀察到，在最佳化之 3D 複雜鈣鈦礦薄膜的載子，歐傑非輻射複合途徑明顯減少。此外，本研究進一步在太陽能電池中的 2D／3D 鈣鈦礦異質結構觀察到局部電場的產生，以及具有超快載子提取（440 fs）的表現。 2D／3D 鈣鈦礦異質結構介面形成局部電場可以有效地驅動電荷載子流，此現象有助於提高太陽能電池的效率。

此外，要實現高效率太陽能電池的發展，元件異質結構中，若有超快載子提取的表現，是非常有幫助的，這代表著光激發載子的能量在以熱的形式消失前，能被有效轉換成電力。這項研究成果顯示，超快雷射光譜技術可成為實現高效率鈣鈦礦太陽能電池的神隊友，進一步提供有用訊息幫助優化新興複雜鈣鈦礦材料太陽能電池元件結構設計。這次的成果也已發表於國際期刊《ACS 光子學》（ACS Photonic）。論文全文《Unveiling Ultrafast Carrier Extraction in Highly Efficient 2D/3D Bilayer Perovskite Solar Cells》

除了解高效率鈣鈦礦太陽能電池之外，我們研究團隊也積極投入研究節能奈米光電元件，諸如實現低功耗奈米雷射［12,13］及高偵測效率奈米光電晶體［14］，研究聚焦於利用局域表面電漿共振（localized surface plasmon resonance）產生的局域場增強進而控制光的吸收或輻射［12-16］。

1金屬鹵化物的一種，通用形式 ABX3：A 為單價陰離子、B 為二價金屬陽離子、X 為鹵化物陰離子

延伸閱讀

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