學位論文
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Item 陽離子界面活性劑之抗衡離子對鈣鈦礦太陽能電池之效能影響探討(2025) 李佳臻; Li, Jia-Zhen鈣鈦礦太陽能電池因具備高光伏效率、製程簡便與成本低廉等優勢，已成為新世代太陽能技術的重要研究焦點。然而，其穩定性與缺陷問題仍是限制商業化應用的關鍵挑戰。本研究採用MA₀.₁₆Cs₀.₀₅FA₀.₇₉Pb(I₀.₉Br₀.₁)₃鈣鈦礦為太陽能電池元件之光作用層，佐以四級銨鹽型陽離子界面活性劑為添加劑，詳細探討界面活性劑之抗衡離子的種類對於電子之光伏特性的影響。首先，透過 SEM 觀察表面及橫截面形貌，確立不同抗衡離子對結晶顆粒及膜層厚度的影響，觀察到C8TMAI 結晶顆粒最小，且鈣鈦礦層之膜層厚度並無因添加劑的加入而有顯著差異；搭配 EDX 元素分佈分析，證實C8TMAI可有效擴散至膜層內部，達到最佳的缺陷鈍化效果。再以 XRD、AFM 分析結晶行為及表面粗糙度，觀察到添加 C8TMAI 可減小晶粒尺寸、改善表面平整性，利於載子傳輸。經 UV-Vis 量測，證實添加劑的加入並未影響其吸光能力，以及 PL/TRPL 載子壽命研究，確認不同抗衡離子對載子復合動力學之影響，其中 C8TMAI 可顯著降低缺陷密度、延長載子壽命。以 SCLC、EIS、XPS 測試，說明 C8TMAI 可有效減少缺陷密度、改善界面電荷傳輸及結合力。再者，在元件光伏性能比較下可觀察到，於AM1.5G之測試條件下，添加 C8TMAI有最佳光電轉換效率，可使元件 PCE 由15.28% 提升至20.64%。而在元件之長期熱穩定性的分析中，可觀察到在85 °C氮氣環境的加速老化條件下，在1100小時測試後，經XRD量測，未添加C8TMAI的樣品可明顯觀察到PbI2峰，而添加C8TMAI之鈣鈦礦膜可明顯發現PbI2繞射峰的強度明顯下降，顯示C8TMAI的加入可有效抑制鈣鈦礦的降解，使其不因PbI2的析出導致元件效率下降，在元件之測試性能下，也觀察到在經過1100小時後C8TMAI仍維持初始效率的100%。最後，在6500 K、100 lx 室內照明環境下，C8TMAI 之光電轉換效率更高達53.10%，結合前述AM1.5G的測試結果，證實 C8TMAI 在模擬太陽光與室內光源這兩種光源條件下，皆有最佳的光電轉換效率。本研究系統比較不同抗衡離子之界面活性劑對鈣鈦礦薄膜結構、缺陷鈍化及載子傳輸行為之影響，結果突顯 C8TMAI 在改善元件性能及穩定性之關鍵角色，提供後續設計更穩定、高效、並適用於室內照明之鈣鈦礦元件之明確方向及研究依據。Item 雙缺陷鈍化劑提升鈣鈦礦太陽能電池之光伏特性及穩定性(2025) 陳柏元; Chen, Po-Yuan鈣鈦礦太陽能電池因具備高光電轉換效率、低製備成本與製程簡易等優勢，成為近年來備受矚目的研究領域。然而，其商業化發展仍受限於材料缺陷所造成的穩定性問題與性能衰退。缺陷可分為材料本體的內部缺陷與界面層間的界面缺陷，兩者皆可能導致非輻射復合增加、載子壽命縮短與能量損耗，進而降低元件效能。本研究提出雙缺陷鈍化策略，透過在主動層中同時引入界面活性劑辛基三甲基溴化銨(octadecyltrimethylammonium bromide, 8CTMAB)與五氟苯甲酸(5-fluorobenzoic acid, PFBA)，分別針對界面與內部缺陷進行鈍化，以提升鈣鈦礦太陽能電池之光電轉換效率與穩定性。研究之太陽能電池元件以平面型p-i-n結構為基礎，使用 ITO/P3HT-COOH/Perovskite/PCBM/PEI/Ag之元件架構進行製作與分析。經實驗發現，PFBA的加入有助於鈍化晶格內部缺陷並促進大晶粒生成，而8CTMAB則藉由其陽離子長碳鏈結構排列於鈣鈦礦表面，改善界面能階匹配並減少界面缺陷。研究結果亦證實雙添加劑可有效延長載子壽命、降低陷阱密度及增加電荷再結合阻抗。因此，雙添加劑元件相較於pristine對照元件，可同時提升短路電流密度、開路電壓與填充因子，其PCE最高可達22.21%。在穩定性部分，本研究於65 °與85 °C氮氣環境下進行長時間加熱測試，雙添加劑元件在加熱1000多小時後仍維持其初始效率，顯示其熱穩定性大幅提升。同時，於6500 K LED光源及100 lx照度下，光電轉換效率可達51.99%，展現其優異的室內光應用潛力。此外，XPS與FTIR證實PFBA中的F與COOH官能基及8CTMAB的Br離子可有效鈍化鈣鈦礦膜之缺陷。綜合上述，本研究提出的雙缺陷鈍化策略，不僅能有效降低鈣鈦礦太陽能電池的內部與界面缺陷，進而提升元件光伏性能，同時亦增強其操作與環境穩定性，為高效能、長壽命鈣鈦礦太陽能電池的開發提供極具潛力的材料工程方向。