2015/05/11 鈣鈦礦材料催生新一代太陽能電池－真乄科技業的頂尖投資團隊

鈣鈦礦(Perovskite)基材已被拉攏到太陽能光伏效應(PV)的太陽能電池(Solar Cell)產業，這是由於基於鈣鈦礦材料將輕易製造對抗溫室效應的解決方案，加上該材料的轉換效率從2009年僅僅3.8%提升到2014年超過20%，因此鈣鈦礦材料製作而成的太陽能電池，在2016年可望進入商用市場。

鈣鈦礦也有很多其他的可調諧半導體特性，如高溫超導(High-temperature Superconductivity)、龐大的磁阻、鐵電，以及多樣化的磁性與光電性能。這讓研究人員思考--若是矽太陽能電池可以也被製作成不同的半導體晶片，為何鈣鈦礦基材不行呢？

早期研究人員曾嘗試從材料製造場效電晶體(FET)，然而得到「有限的成功」，這是根據位於北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆的維克森林大學(Wake Forest University)教授Oana Jurchescu的研究結果，Jurchescu教授也聲稱他的研究小組是第一個成功利用鈣鈦礦鹵化物(Halide-Perovskite)製作出場效電晶體的團隊。這可能在靈活性、低成本、低功耗的光電半導體開創一個新紀元，類似於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)在彈性的基板上處理光訊號。

CH3NH3PbI3-xClx混合鈣鈦礦鹵化物晶體結構。鉛(黃色球)和鹵化物(I/CI，粉紅球)各別位在八面體的中心和角部，有機陽離子則位於空隙。
（圖片來源：維克森林大學，2015/07）

「混合鈣鈦礦鹵化物場效電晶體(HHP-FET)能促進光電互補的發展。」Jurchescu教授告訴EETimes。他也補充說明，這項工作是與猶他州立大學(University of Utah)共同合作。

從光學角度切入，因為「發光二極體(LED)基於這些媲美市場上最好的化合物。」這是根據Jurchescu教授的說法。此外，HHP-FET半導體也可表現出波長可調光致發光(Photoluminescence，PL)發射，包括製造電泵浦雷射，以及有擴散長度數百微米的電荷載體。該材料具有自旋相關(Spin-related)屬性，儘管基於較強的自旋-軌跡(Spin-orbit)耦合而有相對短的自旋壽命。

好消息是，Jurchescu教授能夠以同樣的載體流動性，展示互補的N型(N-type)與P型(P-type)元件，讓類CMOS(CMOS-like)鈣鈦礦半導體能在未來問世。壞消息則是，Jurchescu教授目前的原型顯示出一個1cm²/Vs電子遷移率，相較於矽材料的1,400cm²/Vs的電子離動率，可說慘澹許多。然而，理論上HHP-FET最大的電子遷移率是2,000cm²/Vs--即使高過矽，但卻伴隨著300cm²/Vs的空穴遷移率(與矽材料的450cm²/Vs相比)。研究人員也發現HHP-FET在良率、可運作性及環定穩定性也比不上矽，這或許可從任何新的半導體材料預料得到。

基於混合鹵化物半導體層的FET結構示意圖，具有金源極和漏極接觸、CYTOP電介質和鋁柵電極。
（圖片來源：維克森林大學，2015/07）

「如同你指出的，在我們的HHP-FET得到的流動性比那些矽材料的紀錄還低。」然而這些材料仍具有其他幾個優點。其中一個優勢是比起矽製程，其相容性允許裝置可在低成本和一般環境條件下製造，如同沉積在任何類型的基板，包含彈性和可撓曲基板。此外，平衡空穴和電子傳輸建議方面，在互補光電應用中，這些材料是可被結合的，因為這樣的性能水準就已足夠。最後，這僅僅是最原始的第一代裝置，其被預測的流動率數值就已相當優越，我敢肯定，也許透過更好的工程裝置，流動性將能有所改善。

以原子力顯微鏡(AFM)測量本研究中使用的一個CH3NH3PbI3-xClx薄膜。
（圖片來源：維克森林大學，2015/07）