在不同類型的鈣鈦礦太陽能電池當(dāng)中，反式結(jié)構(gòu)設(shè)計（inverted design configuration）的鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，使它有潛質(zhì)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(xué)性活躍的物質(zhì)，在高溫和高濕度的環(huán)境下容易揮發(fā)和降解，降低了這種新型電池的運作壽命，而且至今未有一套有效策略，既能夠獲得優(yōu)異的穩(wěn)定性，又能顯著提高反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率至達(dá)到25%，以便與商用的傳統(tǒng)硅晶太陽能電池匹敵。

香港城大化學(xué)系助理教授朱宗龍博士，被一種含有金屬及名為二茂鐵（ferrocenes）物料的獨特性質(zhì)所啟發(fā)，成功研發(fā)出一種新的策略，克服了上述障礙。朱宗龍博士的研發(fā)團(tuán)隊與帝國理工學(xué)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(nèi)，作為“光吸收層”和“電子傳輸層”之間的界面，改善了電池的穩(wěn)定性及效率，獲得了重大突破。

朱博士說：“我們是全球第一個科研團(tuán)隊，成功把反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至創(chuàng)紀(jì)錄的25%，并通過了國際電工委員會（IEC）規(guī)定的穩(wěn)定性測試標(biāo)準(zhǔn)。”上述最新科研成果，已經(jīng)在著名科學(xué)期刊《科學(xué)》上發(fā)表，題為“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”。

本身是有機金屬化學(xué)專家的Nicholas Long教授說：“二茂鐵的獨特性質(zhì)，可以幫助解決鈣鈦礦電池所面對的穩(wěn)定性及效率難題。”二茂鐵是一種化合物，它的鐵原子被兩個碳環(huán)平面，如三文治般夾在中間。朱博士團(tuán)隊采用的二茂鐵由Nicholas Long教授團(tuán)隊制備，這些二茂鐵的碳環(huán)都連接著不同的有機官能團(tuán)（organic groups）。朱博士解釋說：“這些有機官能團(tuán)可以減低鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)密度，從而提高了鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性和效率。”

鈣鈦礦太陽能電池是由多層物料組成，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(zhuǎn)移到“電子傳輸層”，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

這些有機官能團(tuán)還有另一優(yōu)點。朱博士解釋說：“由我們聯(lián)合科研團(tuán)隊所設(shè)計的二茂鐵基有機金屬化合物，可以通過強力的化學(xué)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(huán)境的敏感度，因此減慢了太陽能電池的降解。”

卓越穩(wěn)定性有助促進(jìn)走向商品化

香港城大科研團(tuán)隊在實驗中，證實了這款新研發(fā)的反式鈣鈦礦太陽能電池，在連續(xù)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(yán)格的光伏國際標(biāo)準(zhǔn)，在極濕熱的環(huán)境（攝氏85度及85%濕度）下仍表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。

朱宗龍博士和Nicholas Long教授是相關(guān)研究論文的通訊作者。第一作者是香港城大化學(xué)系博士生李稹和吳鑫以及博士后研究員李博博士。其他香港城大科研團(tuán)隊成員包括化學(xué)系博士后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(chuàng)新及科技基金、香港研究資助局、廣東省自然科學(xué)基金等支持。