城大開發(fā)嶄新添加劑 提高鈣鈦礦太陽能電池效率及穩(wěn)定性
鈣鈦礦太陽能電池由于具有高能量轉(zhuǎn)換效率及成本低，被視為極有潛質(zhì)替代傳統(tǒng)硅晶太陽能電池。然而，其發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一，是需要持續(xù)的穩(wěn)定性。香港城市大學(xué)（城大）的科研團(tuán)隊最近便針對這問題取得了突破，開發(fā)出一種創(chuàng)新的多功能、非揮發(fā)性的添加劑，它可以通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的生長來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。這種簡單而有效的嶄新策略將可促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的商品化發(fā)展。
帶領(lǐng)這項研究的城大李兆基講座教授（材料科學(xué)）兼香港清潔能源研究所所長任廣禹教授說：“這種多功能添加劑能廣泛適用于制備不同成分的鈣鈦礦，以制造高效和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜將可促成大面積太陽能電池的升級發(fā)展。”
鈣鈦礦太陽能電池因其出眾的太陽能能量轉(zhuǎn)換效率而廣受關(guān)注。由于鈣鈦礦可以從溶液沉積到制造表面之上，令這種太陽能電池可以應(yīng)用于建筑一體化光伏裝置、可穿戴的隨身設(shè)備以及“太陽能農(nóng)場”的設(shè)施。然而，鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，受制于鈣鈦礦材料界面和晶粒邊界的缺陷所造成的嚴(yán)重能量損失，因此，鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的高低，在決定鈣鈦礦太陽能電池可達(dá)致的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性方面，起著關(guān)鍵作用。
盡管之前許多研究都集中在使用揮發(fā)性的添加劑來改善鈣鈦礦薄膜的形態(tài)和質(zhì)量，但有研究發(fā)現(xiàn)，這些添加劑在退火處理后往往會從薄膜逸出及消失，令鈣鈦礦與基底的界面產(chǎn)生空隙，影響了能量轉(zhuǎn)換效率。
為解決上述難題，香港城大的科研團(tuán)隊開發(fā)了一種簡單而有效的策略，來調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的生長以提高薄膜的質(zhì)量。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，通過在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中添加一種多功能分子（4-胍基苯甲酸鹽酸鹽，簡稱GBAC），能夠形成一個氫鍵橋接的中間相并調(diào)節(jié)結(jié)晶過程，從而形成高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，使之不單具有鈣鈦礦大晶粒，兼且從薄膜底部到表面都能呈現(xiàn)連貫的晶粒生長。此外，由于添加的多功能分子具有不易揮發(fā)的優(yōu)點，故此在鈣鈦礦薄膜退火處理之后，它還可以作為有效的缺陷鈍化（一種降低鈣鈦礦薄膜缺陷密度的方法）連接劑，從而大幅減少非輻射復(fù)合損失，提高薄膜質(zhì)量。
團(tuán)隊的實驗結(jié)果顯示，加入GBAC添加劑后，能夠顯著降低鈣鈦礦薄膜的缺陷密度。采用經(jīng)改良的鈣鈦礦而制成的倒置（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率亦提升至24.8%（經(jīng)日本電氣安全與環(huán)境技術(shù)實驗室（JET）認(rèn)證為24.5%），是已知研究文獻(xiàn)所報道的最高數(shù)值之一。與此同時，該太陽能電池裝置的整體能量損失減少至0.36eV，亦是具有高能量轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池設(shè)備之中，能量損失最低的裝置之一。
此外，在未經(jīng)封裝的太陽能電池呈現(xiàn)出更優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性。在氮氣的實驗環(huán)境里，即使在65±5℃的溫度下連續(xù)加熱超過1,000小時，它仍能保持最初能量轉(zhuǎn)換效率的98%。
團(tuán)隊亦證明了新開發(fā)的添加劑策略對不同的鈣鈦礦成分和大面積裝置，均普遍適用。例如，在實驗中，一個較大面積（約一平方厘米）的太陽能電池裝置使用了新的添加劑策略之后，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)22.7%，顯示了新技術(shù)在制造可擴(kuò)展和高效的鈣鈦礦太陽能電池方面的巨大潛力。
“今次的研究成果，為實現(xiàn)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的優(yōu)化提供了一條清晰的新路徑，以促進(jìn)高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)，從而提升并擴(kuò)大它的實際可應(yīng)用范圍。”任教授補充說。
團(tuán)隊將進(jìn)一步伸延分子的結(jié)構(gòu)，并通過成分和界面工程優(yōu)化相關(guān)器件的構(gòu)造，他們亦會專注于大面積鈣鈦礦太陽能電池裝置的制造。
上述研究成果已于科學(xué)期刊《Nature Photonics》上刊載，標(biāo)題為〈Hydrogen-bond-bridged intermediate for perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability〉。
任教授是論文的通訊作者，共同第一作者是來自任教授研究小組的李鳳珠小姐和鄧祥博士。其他來自城大的團(tuán)隊成員包括陳先凱博士、曾世榮博士、楊征保博士、Francis Lin博士和吳圣釩博士。
本次研究得到城大、香港創(chuàng)新科技署、研究資助局、環(huán)境及生態(tài)局的低碳綠色科研基金，以及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目和粵港澳光電磁功能材料聯(lián)合實驗室的支持。