材料界的新星 – 鈣鈦礦材料

化材系 李坤穆教授

具備鈣鈦礦(Perovskite)結構的材料已成為各種光電元件應用中，最有前景且具最高效率的低成本能源材料。1839年德國礦物學家Gustav Rose發現了鈦酸鈣（CaTiO₃）的結構，並以俄國礦物學家Lev Perovski的姓氏命名，，被公認為是”鈣鈦礦”名詞的起源，而具有與CaTiO₃相同類型晶體結構(ABX₃)的材料，則被稱為鈣鈦礦結構材料。ABX₃是用於描述鈣鈦礦材料的通用化學式，其中 A 和 B 是陽離子，且A的離子半徑 大於 B，另外，X 是陰離子，通常是氧化物或鹵素。鈣鈦礦材料具備獨特的物理性質，例如直接能隙(direction bandgap)、高吸收係數(absorption coefficient)、長電子擴散距離(electron diffusion length)、低激子結合能(exciton-binding energy)、低非輻射發射(nonradiative emission)、高介電常數(dielectric constant)、鐵電性質(ferroelectric property)及簡易的加工性等，因此在各式光電元件的應用中(例如: 感測器、場效電晶體、發光二極體、雷射、光偵測器及太陽能電池等)，都可看到鈣鈦礦材料的身影，。

陶瓷鈣鈦礦材料由於其顯著的介電、鐵電、壓電(piezoelectric, PE)和熱電(thermoelectric, TE)等特性，被廣泛地應用於高性能和高效的奈米感測器，也被大量地應用於物聯網（internet of things, IoT）裝置中。傳統的奈米感測器材料(例如鋯鈦酸鉛(PZT), 鈮酸鈉(NaNbO₃)) 會因為高溫合成與煅燒的製程，以及材料的脆性(brittleness)和剛性(rigidity)，限制了它們在軟性電子裝置中的適用性，而這些限制就給予了可以在低溫合成的鈣鈦礦材料開啟了一扇大門。近期各種類型的奈米發電機(nanogenerator, NG)(如: 壓電奈米發電機(PENG)、熱電奈米發電機(TENG) 和焦電(pyroelectric, PyE)奈米發電機 (PyENG))，都已使用鈣鈦礦及其聚合物複合材料進行包含壓力、溫度及光線的各種應用，，相信在不久的將來鈣鈦礦材料可以在IoT裝置上大放異彩。

在2014年英國劍橋大學Richard H. Friend教授及其團隊發表了第一個有機無機摻雜的鈣鈦礦發光二極體(LED)，他們使用CH₃NH₃PbBr₃作為發光層，實現了364 cd/m²的亮度，之後的研究發現其電致發光波峰的半高寬(FWHM)可小於20 nm，此表現優於先進的有機發光二極體(OLED)與量子點發光二極體(QD-LED)；且最高亮度可達近591,197 cd/m²，(僅略低於QD-LED的614,000 cd/m²)，最大外部量子效率(EQE)已可達20%且達到開啟電壓可以低至2V。雖然，鈣鈦礦LED在實際應用中具有巨大的潛力，但其穩定性仍是在此應用上需克服的最大瓶頸。

另外，鈣鈦礦材料應用在太陽能電池的進展上也是突飛猛進的。自從2012年科學家報導了第一個效率為9.7%，且長期穩定性為500小時的鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cell, PSC)後，直至目前PSC的最高效率已提高到25.5%，而且在商業化的進展中，鈣鈦礦太陽能模組也取得了許多顯著的突破：例如面積大於1 cm²電池在2019年獲得21.6%的認證效率，而日本松下公司也在2020年發表了面積804 cm²的高效模組(17.9%)。為了確保鈣鈦礦材料的高效率及高穩定性，科學家仍然得要針對鈣鈦礦電池中的各層材料、製作技術、模組結構設計與封裝方式上持續努力，才能提高與其他太陽能技術在平準化電力成本（LCOE）和生命週期評估（LCA）的競爭力。

化材系的前瞻材料研究群(李坤穆老師與吳明忠老師實驗室)在鈣鈦礦材料的研究上也不缺席，在鈣鈦礦太陽能電池領域上，已累積包含無鉛化技術、材料與介面缺陷鈍化技術及高效率電池一條龍製造的多項技術，更可以熱控型刮塗法製備出光電轉換效率大於21%的鈣鈦礦太陽能電池，並有優異的穩定性表現等的重大的研究成果，李坤穆教授也因在此領域傑出的研究榮獲『109年度科技部吳大猷先生紀念獎』。後續化材系的前瞻材料研究群會在現有研究基礎上，持續努力來擴大鈣鈦礦材料的研究成效。 

材系的前瞻材料研究群以連續噴塗法製備之高效率鈣鈦礦太陽能電池的電子傳導層 (已於2020年發表於small (DOI: 10.1002/smll.202002201))