突破性進展：創新尖晶石電洞傳輸層打造高效能(Ca,Ba)ZrS₃太陽能電池

太陽能長期以來被視為潔淨能源的希望之光，然而傳統鉛鹵化物鈣鈦礦材料存在的毒性與不穩定性，始終是發展永續高效光電技術的絆腳石。究竟能否開發出兼具高效能、耐久性與環境友善的太陽能電池？這個關鍵問題引領我們發現了極具潛力的硫族鈣鈦礦材料(Ca,Ba)ZrS₃。

有別於含鉛材料，(Ca,Ba)ZrS₃展現出優異的熱穩定性與化學穩定性。更令人振奮的是，透過低於2%的鈣摻雜，能將其能隙精準調控至1.26電子伏特，完美符合Shockley-Queisser理論中光電轉換的最佳範圍。墨西哥克雷塔羅自治大學的研究團隊首開先河，將這種材料與新一代無機尖晶石電洞傳輸層(HTLs)結合，開創嶄新的技術路線。

我們在《光學與量子電子學》期刊發表的研究中，透過SCAPS-1D模擬系統，整合NiCo₂O₄、ZnCo₂O₄、CuCo₂O₄及SrFe₂O₄等尖晶石材料，並精確調控層厚、載子濃度與介面特性，成功將光電轉換效率(PCE)提升至突破性的34%以上。其中基於SrFe₂O₄的電池表現尤為亮眼，憑藉優異的復合阻抗、提升的內建電位與理想的能帶匹配，實現34.24%的轉換效率，同時具備較低的能量損耗(~0.11V)、高達34.12mA/cm²的短路電流密度，以及42%的吸收率。

相較傳統有機材料，尖晶石電洞傳輸層展現出全方位的優勢：成本低廉、原料易得、製程簡便，同時具備低電阻率、環境友善性與卓越的熱穩定性及光化學穩定性，完美匹配新興硫族吸收層材料。我們的研究更發現，介面工程扮演關鍵角色，透過降低缺陷密度、最佳化導帶與價帶偏移，能有效阻斷電荷復合路徑，同時確保電洞傳輸順暢。

這項突破性研究為開發無毒、穩定且高效能的薄膜太陽能電池邁出關鍵一步。隨著材料特性與元件結構的持續最佳化，整合尖晶石電洞傳輸層的(Ca,Ba)ZrS₃太陽能電池，極有機會成為次世代光電技術的基石。我們很榮幸能參與這場重塑太陽能未來的技術革命。

本研究成果刊載於Science X Dialog學術交流平臺，該平臺專門發表研究人員的學術論文發現。欲瞭解更多參與資訊，請參閱相關頁面說明。

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