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台美科學家聯手解開鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率之謎

  撰文者:  2017-07-09
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每次觀看齊柏林的「看見台灣」紀錄片,總讓人不禁感動落淚,深思背後的原因應該是對如同母親一般的台灣土地有所眷戀與疼惜吧。齊柏林以他二十餘年的空中攝影專業,自願放棄公務員退休金、拿房子向銀行抵押借款、冒著每次飛行攝影的風險,只為了成就此紀錄片,讓大家看到台灣土地的美麗與哀愁,讓更多台灣人觀看後願意關注這塊土地,並訴諸具體的行動去改變一些周遭的不美好。年紀漸長,愈來愈相信這就是「用專業說故事」的力量與魅力。

今天想跟各位讀者分享一個學術專業的故事。這故事要從「有朋自遠方來」開始談起…..

去年暑假美國維吉尼亞大學物理系Seung-Hun Lee教授應邀來台灣參加學術會議,順道安排拜訪三十年的大學研究所老友台大凝態中心陳維良博士,一如往常招待國外學者的慣例,我們安排了李教授在凝態中心分享其美國團隊在有機無機混成鈣鈦礦(HOIPs)的最新研究成果[1],學術演講後順便參訪我們的超快雷射光譜實驗室,並共享晚餐賓主盡歡。原本以為這只是行禮如儀的外國學者來台學術訪問,通常故事也是就到此劃上句點。

出乎意料地,原本的起心動念只是多年未見面的老友敘舊,在隨興閒聊實驗室過去二十年累積的雷射光譜核心技術之後,竟觸動了彼此建立學術合作的共識與契機。接著將近一年密切的實驗設計討論、實驗結果分析、與惱人的論文審查答辯過程,我們終於發表了第一篇共同合作的學術論文「Origin of Long Lifetime of Band-Edge Charge Carriers in Organic-Inorganic Lead Iodide Perovskites」,預定刊登於2017年7月18日的PNAS期刊[2]。

鈣鈦礦作為太陽能電池材料是最近幾年極受關注的科研主題,過去五年來,其能量轉換效率的最佳紀錄已直逼商用的矽太陽能板表現~22% [3]。然而為何鈣鈦礦能有如此跌破專家眼鏡的能量轉換效率 ? 這問題則一直困惑著全世界的物理學家。

此次的台美雙邊學術合作,台大凝態中心張玉明研究員主持的台灣團隊主要負責HOIPs材料在可變溫環境下(-196°C ~ 350°C),雷射激發螢光光譜與時間解析螢光生命期的實驗設計、光譜量測與分析工作。台灣團隊的雷射光譜研究成果,提供了HOIPs太陽能電池高效率最直接且關鍵的實驗證據 (詳圖一說明)。

圖一:(左) 由台灣團隊自製的可變溫式雷射掃描共軛焦光譜顯微鏡;(右) 在兩種不同的加熱路徑下,FAPbI3之變溫螢光光譜(A-D)及時間解析螢光生命期(E、F),當FAPbI3轉變為立方晶相,均可觀察到螢光生命期顯著增長。

 

鈣鈦礦的光電特性研究是目前全世界極度競爭的研究領域之一,這次台美跨國團隊共同合作的目標,正是要挑戰此科研主題的核心問題,嘗試解開HOIPs太陽能電池高效率的微觀物理機制 (詳圖二說明)。

圖二:有機分子的電荷屏蔽效應有效地延長光激電子的生命期,增強鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率。(A、B):當FAPbI3是四方晶相,FA+離子不能自由旋轉,無法有效地屏蔽光激電子與電洞的再複合機制;(C、D):當FAPbI3是立方晶相,FA+離子能自由地旋轉,因此對光激發電子產生極佳的電荷屏蔽效應。

鈣鈦礦的光電特性研究是目前全世界極度競爭的研究領域之一,這次台美跨國團隊共同合作的目標,正是要挑戰此科研主題的核心問題,嘗試解開HOIPs太陽能電池高效率的微觀物理機制 (詳圖二說明)。

值得一提的是台灣團隊主導的研究貢獻是在整體研究構想與方向確認後,在三個月內打造出全世界獨一無二的「可變溫式雷射掃描共軛焦光譜顯微鏡」,並取得研究樣品最關鍵的雷射光譜量測成果。當初美國團隊會主動邀請合作,緣於參訪實驗室後對我們雷射光譜核心專業能力的肯定與信心。我們相信這篇論文的發表,將讓世界看見台灣在新興材料的雷射光譜研究實力。

 

總結此次台美團隊學術合作,台方的經費支出項目如下:李教授來台訪問期間的演講及餐費 $5,000 NTD,分攤PNAS論文發表費 $900 USD,而彼此真誠的研究技術分享與學術專業交流…. $無價。

以上就是想跟各位讀者分享的故事。

如何讓世界看見台灣的學術卓越 ? 過去十年,台灣高等教育在教育部兩輪的五年五百億經費加持之後,我們追求學術卓越的願景與目標,究竟是更加清晰? 還是更加迷惘了呢 ? 將來你想跟年輕學子講怎樣的故事呢 ?


參考文獻 (web-linked)

[1]Chen T, et al. “Entropy-driven structural transition and kinetic trapping in formamidinium lead iodide perovskite”, Science Advances 2 (10), e1601650 (2016).

[2]Chen T, et al. “Origin of long lifetime of band-edge charge carriers in organic-inorganic lead iodide perovskites”, Proceedings of National Academy of Sciences 114 (29), 7519-24 (2017).

[3] 希瓦倫(Varun Sivaram)、史川克斯(Samuel D. Stranks)、史奈斯(Henry J. Snaith),“鈣鈦礦-太陽光電穿新衣”, 科學人雜誌2015年第163期九月號36-41頁。

 

本文同步刊登於『台大校訊』與『物理雙月刊』


本文感謝 張玉明 研究員(台灣大學凝態科學研究中心)撰稿。張玉明 研究員實驗室網站:

http://www.ntu-ccms.ntu.edu.tw/lab/ultrafast/



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