過去十年，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）已成為下一代可再生能源的前沿技術，結合高功率轉換效率與低成本的溶液基製造方式。其輕質結構亦開拓了超越傳統面板的應用，包括整合至窗戶、車輛及可攜式裝置等。一項重大進展是引入空穴收集單分子層（HCMs），這些超薄介面層可從鈣鈦礦中提取正電荷。此類材料已將單結 PSC 效率推升至 26.9%，並提升穩定性。然而，其背後物理機制仍未完全釐清，尤其是電極–HCM–鈣鈦礦介面的能量準位對齊方式仍存爭議。
多種競爭模型被不一致應用，導致難以預測性能或設計新材料，而需仰賴試錯法。
解鎖鈣鈦礦太陽能電池性能背後的關鍵物理
為解決此問題，千葉大學領導的研究團隊開發出首個通用模型，用以描述電極/HCM/鈣鈦礦介面的能量準位對齊，填補了鈣鈦礦太陽能電池研究的关键空白。由 Yoshida 教授領導的研究提供一致框架，解釋空穴收集單分子層如何在不同材料系統中運作，並提出改善裝置性能的設計指引。研究人員結合紫外線光電子能譜法及低能量逆向光電子能譜法，測量代表性材料的關鍵能量屬性，從而精準確定功函數及電離能等參數，提升對臨界介面電荷行為的理解。
新模型將電極/HCM/鈣鈦礦介面分為兩個獨立區域，以更準確解釋電荷行為。在電極–HCM 邊界，能量對齊主要受介面偶極主導，此為空穴收集單分子層定向分子偶極形成的電場。相對地，HCM–鈣鈦礦邊界則採用半導體異質結理論，這是電子學中用以理解兩種不同能量準位材料接合時交互作用的標準框架。 研究人員指出，鈣鈦礦太陽能電池的空穴收集效率受兩個關鍵因素控制。首先是能帶彎曲，由材料介面內建電場引起的能量準位漸變。
其次是介面能量障壁高度，描述層間能量不匹配，可能支持或阻礙電荷轉移。Yoshida 指出，這些效應僅依賴少數基本參數，包括電極功函數，以及 HCM 與鈣鈦礦的功函數及電離能。憑藉此有限資料集，模型一致解釋某些 HCM 材料性能優於他者的原因。團隊進一步透過廣泛材料組合的預測與實驗結果比較，驗證模型的有效性。 綜合而言，此研究為下一代太陽能技術設計更高性能材料提供實用指引。
Yoshida 強調，所提模型為空穴收集單分子層提供明確選擇規則及分子設計原則，有助優化介面能量對齊，同時縮短開發時間並降低成本。進而，這可實現更高功率轉換效率，以及跨不同材料系統的更可重現裝置性能。
