在綠色能源的發展得到各國越來越多的重視與青睞的今天，光伏科技和太陽能電池的產業成長與技術研發成為了工業界和學術界共同的焦點。而這其中被廣泛關注的當屬使用具有鈣鈦礦結構的材料所合成的太陽能電池。鈣鈦礦結構是具有通式ABX₃結構的類化合物，除了CaTiO₃外，還有BiFeO₃、CsPbI₃也具有這結構。基于鈣鈦礦結構材料所合成的電池則般被統稱為有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）。在光伏域的研究中，鈣鈦礦太陽能電池因其能量轉化率在近幾年的飛速提高而備受關注。可以達到25%的能量轉化率。

然而，在我們期待上述的有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池從實驗室走向工業應用的時候，個無法回避的問題出現在了研究者的面前：這種電池的環境敏感性非常之高。在電池的使用過程中，其性能穩定性和使用壽命很容易被環境濕度，環境熱度，環境光照所影響，且這種影響多為負面影響。也就是說，要想讓PVSCs能夠被大規模應用，其環境耐性必須得到改進。

針對上述問題，香港城市大學Fengzhu Li于今年（2022年）4月在Advance Energy Materials中發表了等離激元局域光熱現象調控鈣鈦礦太陽能電池應力以提升效率和穩定性的研究工作。該課題組發現二氧化硅包覆的金納米管（GNR@SiO₂）可有效提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，尤其通過減小材料生成過程中所產生的殘留應變，在維持電池高效轉化率（23%）的前提下，大幅提高了電池的工作穩定性。這種GNR@SiO₂有著8.2 nm的平均直徑和40 nm的平均長度。其中的二氧化硅外殼結構的厚度在15 nm左右。

圖1. 作者所生成的GNR@SiO₂的 (a) TEM與EDS掃描圖樣  (b)直徑和長度的分布統計

在通過標準流程測得生成的太陽能電池的能量轉化效率可以達到23%之后，接下來研究者的關注點則聚焦到了GNR@SiO₂對電池穩定性——也就是鈣鈦礦材料層的穩定性的提高之上。在此研究中，Neaspec研發的近場光學顯微鏡起到了至關重要的作用。科研者用此設備獲取了相關材料基于中紅外激光吸收的形貌圖（光學成像）和與之對應的納米傅里葉紅外光譜結果。實驗使用了臺相干寬波長中紅外激光器，通過Neaspec近場光學顯微鏡將激光聚焦于鍍鉑金AFM針尖，從而表征了四組參照薄膜材料：（a）新生成的鈣鈦礦結構材料（PVK）（b）新生村的摻雜了GNR@SiO₂的PVK（c）經過疲勞測試的PVK（d）經過疲勞測試的GNR@SiO₂的PVK。

圖2 實驗原理示意圖和Neaspec近場光學顯微鏡AFM頂照攝像頭在測試四組材料時的光學鏡頭成像。

在PVK所對應的中紅外成像和納米傅里葉紅外光譜中，信號的產生主要源自材料里的甲脒結構中的非對稱碳氮鍵的拉伸模式的變化。所有之后的分析都是基于上述四種材料所產生的這種信號（對應材料中甲脒的濃度也就是材料的降解程度）。下圖a-d對應四種材料的1700  cm^–1 中紅外激光成像結果。而為了研究疲勞測試對材料穩定性的影響，研究者在每個結果中都選取了5個數據點，直接進行納米傅里葉紅外光譜的測試 （下圖 e-h）。研究者通過對比發現，在沒有摻雜GNR@SiO₂的PVK中，疲勞測試使得材料的甲脒含量降到了原來的45%。而通過摻雜GNR@SiO₂，PVK中的則能維持在原來的75%。可見，摻雜GNR@SiO₂有效地減慢了PVK薄膜材料的降解和損耗速度。而使得這結果得以獲得的，正是Neaspec的近場光學顯微鏡可以同時對樣品進行中紅外成像和納米傅里葉紅外吸收譜分析的這性。

圖3 四組參照薄膜材料的中紅外成像結果以及對應圖上5個數據點的納米傅里葉紅外光譜結果

參考文獻：

[1]. Fengzhu Li, Tsz Wing Lo, Xiang Deng, Siqi Li, Yulong Fan, Francis R. Lin, Yuanhang Cheng, Zonglong Zhu, Dangyuan Lei*, Alex K.-Y. Jen*, Plasmonic Local Heating Induced Strain Modulation for Enhanced Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells, Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.202200186

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