全無機 (all-inorganic) 鈣鈦礦太陽能電池 (perovskite solar cells)由於具優異的熱穩定性, 近年成為鈣鈦礦電池研究的新寵兒。由香港城市大學（城大）學者領導的研究團隊透過鈍化（passivation）方法，近月研發出一款新型全無機鈣鈦礦電池，成功將光電轉換效率提升至高達16.1%，是同類型的全無機鈣鈦礦電池所達到的最高效能，而且能保持高度的光穩定性。研究結果將為日后開發高效能又穩定的鈣鈦礦電池帶來新啟示。

研究團隊由城大學務副校長兼化學及材料科學講座教授任廣禹教授，以及化學系助理教授朱宗龍博士共同領導，其他團隊成員來自華南理工大學、華盛頓大學和國立臺灣大學。他們早前已把研究成果發表在科學期刊《自然通訊》上，題為〈Highly efficient all-inorganic perovskite solar cells with suppressed non-radiative recombination by a Lewis base〉。

熱穩定性 vs光電轉換效率

以光電轉換效率（power conversion efficiency）比較，現時全無機鈣鈦礦電池仍然不及有機-無機復合的鈣鈦礦太陽能電池，但后者缺點是熱穩定性（thermal stability）不足。任教授指出，判定太陽能電池能否實際應用的其中一個指標，是電池要在高達攝氏85度的環境下依然維持良好性能，但有機-無機復合鈣鈦礦電池一般只能在攝氏60至65度或以下的環境下運作。朱博士解釋：“當溫度達攝氏85度，有機-無機復合鈣鈦礦中的有機部分會分解。相反，全無機鈣鈦礦有更佳的熱穩定性，可抵受高溫，令電池可適用于較為極端的環境，例如沙漠。”

 ??????提升效能的秘密︰以小分子添加劑鈍化鈣鈦礦層

因此，近年科研界積極找尋方法，提高全無機鈣鈦礦的光電轉換效率。研究團隊用上一年時間，研發出一種光電轉換效率和穩定性均有所提高的全無機鈣鈦礦電池，獨特之處在于使用了鈍化方法。所謂鈍化，就是降低物質表面活性，常用于有機太陽能電池的物料。

 

 

任教授解釋，制備鈣鈦礦時涉及快速結晶的過程，表面或晶界有時會出現一些缺陷，這些缺陷會“困著”電荷，令電荷無法自由流動，窒礙電流形成，造成開路電壓（open-circuit voltage）嚴重流失，是全無機鈣鈦礦電池光電轉換效率不高的主因。于是他們在制備鈣鈦礦的過程中，添加特制的小分子6T1C-4F以鈍化鈣鈦礦的表面，發現結晶的顆粒增大了，減少了晶界的缺陷以及電流的流失。

他們的實驗顯示，添加6T1C-4F后，開路電壓從1.10V顯著提高到1.16V。除了開路電壓，填充因子（Fill Factor, 即電子有否被有效收集）及短路電流（Short circuit current）亦會影響光電轉換效率，而這些指標在添加6T1C-4F作鈍化后全部有所改善。

 

新研發的全無機鈣鈦礦電池的光電轉換效率為16.1%，是同類型的全無機鈣鈦礦電池當中的最高記錄，獲中國計量科學研究院認證的效率亦高達15.6%。

研究結果亦顯示，電池的光穩定性有所提高，在連續照射350小時后，能量轉化效率只下降了約15%，而且6T1C-4F亦能保護鈣鈦礦的表面免受濕氣、氧氣和光線的侵蝕。

應用潛力無限

任教授表示，是次研究成果的突破在于找出了簡單方法，便可制成光電轉換效率與穩定性兼具的全無機鈣鈦礦電池。“我們相信，全無機鈣鈦礦電池的光電轉換效率將有進一步提升的潛力。”他說。

他又補充，這款全無機鈣鈦礦電池的結構設計是“倒裝式”，適合制成疊層式太陽能電池（tandem solar cells）。疊層式太陽能電池能同時吸收不同光譜的太陽光，提升光電轉換效率；科研界預料，其光電能量轉換率將可超過30%。

于鈣鈦礦研究領域領先、相關論文廣被引用的任教授表示，科研人員對鈣鈦礦電池展開研究只有約十年時間，但利用鈣鈦礦做太陽能電池的能量轉換效率，已由最初的3.8%急增至超過25%，已直迫我們現時常用、發展了五十年的硅基太陽能電池，而且鈣鈦礦以溶液制成，“可以像印報紙的油墨般，‘打印’在彈性膠片制成柔性電池，或成為玻璃窗上的涂層去吸收陽光”，因此應用潛力極大。

他強調，鈣鈦礦電池制作并不復雜，容易大量生產以減低成本，制造鈣鈦礦電池所需的能源更是硅基太陽能電池所需的十分之一，一旦商業化，相信有助解決能源危機。朱博士補充說：“是次研究最困難的地方，是平衡系統的穩定性與能量轉換效率。我們長遠的研究目標之一，是提升無機鈣鈦礦商品化的潛力。”

任教授、朱博士和華南理工大學葉軒立教授均是論文的通訊作者。 論文的共同第一作者是來自城大化學系的博士生王晶及博士后研究員張杰博士。 其他研究團隊成員包括來自華南理工大學的薛啟帆博士和周穎芝、華盛頓大學化學系的李曉松教授和劉弘斌博士，以及國立臺灣大學化學工程學系闕居振助理教授。

 

這項研究獲城大、創新及科技基金、美國國家科學基金會、廣東省自然科學基金等支持。

DOI number: 10.1038/s41467-019-13909-5

本文已于 “香港城大研創” 微信公眾號發布。
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