香港城大化學家研發出新策略　製成高效及穩定的鈣鈦礦太陽能電池

由香港城市大學（香港城大）和倫敦帝國理工學院（帝國理工學院）的化學家共同領導的研究團隊，最近研發出嶄新、穩定及高效能的鈣鈦礦太陽能電池。今次的突破性研究成果，勢將大大加快鈣鈦礦光伏技術的商品化速度，並為鈣鈦礦太陽能電池的發展帶來極大潛力，從而取代傳統的硅晶太陽能電池。

傳統的太陽能電池由硅晶製成，優點是具有較高的光電轉換效率和良好的穩定性，但缺點是價格相對昂貴，而且其光伏效率的發展，無論是從實際操作還是經濟效益角度來看，均已接近極限。相比之下，鈣鈦礦（perovskites）被視為極有機會成為取代硅晶作為太陽能電池板的材料。鈣鈦礦太陽能電池不但成本低、生產所需溫度較低，而且重量輕，並可彈性彎曲。例如鈣鈦礦可以製成墨水，然後打印在塑料薄膜上，製成有彈性及可屈曲的太陽能電池；它也可以成為玻璃窗的塗層去吸收陽光，用途極為廣泛。

在不同類型的鈣鈦礦太陽能電池當中，反式結構設計（inverted design configuration）的鈣鈦礦太陽能電池表現出卓越的穩定性，使它有潛質成為電池壽命可以媲美商用硅晶太陽能電池的競爭對手。然而，鈣鈦礦電池含有化學性活躍的物質，在高溫和高濕度的環境下容易揮發和降解，減低了此種新型電池的運作壽命，而且至今仍未有一套有效策略，能夠既獲得優異的穩定性，而又能顯著提高反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率至達25%，以便與商用的傳統硅晶太陽能電池匹敵。

香港城大化學系助理教授朱宗龍博士受到一種含有金屬及名為二茂鐵（ferrocenes）的物料的獨特性質所啟發，成功研發出一種新的策略，克服了上述障礙。朱宗龍博士的科研團隊與帝國理工學院的Nicholas Long教授合作，巧妙地把二茂鐵添加到鈣鈦礦太陽能電池內，作為「光吸收層」和「電子傳輸層」之間的界面，改善了電池的穩定性及效率，成功取得重大突破。

朱博士說：「我們是全球第一支科研團隊成功把反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率提高至創紀錄的25%，並通過了國際電工委員會（IEC）規定的穩定性測試標準。」上述最新科研成果，已於著名科學期刊《科學》上發表，題為“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”.

本身是有機金屬化學專家的Nicholas Long教授說：「二茂鐵的獨特性質可以幫助解決鈣鈦礦電池所面對的難題。」二茂鐵是一種化合物，它的鐵原子被兩個碳環平面，如三文治般夾在中間。朱博士團隊採用的二茂鐵由Nicholas Long教授團隊製備，這些二茂鐵的碳環都連接著不同的有機官能團（organic groups）。朱博士解釋說：「這些有機官能團可以減低鈣鈦礦表面的缺陷態密度，遂提高了鈣鈦礦電池的穩定性及效率。」

鈣鈦礦太陽能電池是由多層物料組成的，其中鈣鈦礦是用來收集光，二茂鐵分子則可以加快電子從鈣鈦礦層轉移到「電子傳輸層」，從而提高光電轉換效率。

朱博士解釋，這些有機官能團還有另一優點：「由我們聯合團隊所設計的二茂鐵基有機金屬化合物，可以通過強力的化學鍵，把離子牢牢地固定在鈣鈦礦的表面，從而降低太陽能電池對外部環境的敏感度，藉此減慢了太陽能電池的降解。」

香港城大團隊在實驗中，證實了這款新研發的反式鈣鈦礦太陽能電池，在連續光照中運行超過1,500小時，仍然能夠保持超過98%的初始效率。這新式太陽能電池還通過了嚴格的光伏國際標準，在極濕熱的環境（攝氏85度及85%濕度）下仍表現出卓越的穩定性。

「今次研究最重要的成果是，我們成功研製了既高效、又能維持良好穩定性的鈣鈦礦太陽能電池。而有關成果獲國際標準驗證，意味鈣鈦礦太陽能電池正邁向商品化之路。」朱博士說。

聯合科研團隊已為這嶄新的太陽能電池技術申請了專利。朱博士總結說：「我們希望通過使用這種新穎的分子和簡單方法，能加大鈣鈦礦太陽能電池的生產規模，為全球邁向零碳排放的可持續發展目標作出貢獻。」

朱宗龍博士和Nicholas Long教授是有關研究論文的通訊作者。第一作者是香港城大化學系博士生李稹和吳鑫以及博士後研究員李博博士。其他香港城大科研團隊成員包括化學系博士後研究員張守峰博士和博士生高丹鵬。

上述研究得到了香港城大、創新及科技基金、香港研究資助局、廣東省自然科學基金等支持。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2022/04/22/cityu-chemists-develop-strategy-highly-efficient-and-stable-perovskite-solar-cells