运用钝化提升全无机钙钛矿太阳能电池效能

全无机 (all-inorganic) 钙钛矿太阳能电池 (perovskite solar cells)由於具优异的热稳定性, 近年成为钙钛矿电池研究的新宠儿。由香港城市大学（城大）学者领导的研究团队透过钝化（passivation）方法，近月研发出一款新型全无机钙钛矿电池，成功将光电转换效率提升至高达16.1%，是同类型的全无机钙钛矿电池所达到的最高效能，而且能保持高度的光稳定性。研究结果将为日后开发高效能又稳定的钙钛矿电池带来新启示。

研究团队由城大学务副校长兼化学及材料科学讲座教授任广禹教授，以及化学系助理教授朱宗龙博士共同领导，其他团队成员来自华南理工大学、华盛顿大学和国立台湾大学。他们早前已把研究成果发表在科学期刊《自然通讯》上，题为〈Highly efficient all-inorganic perovskite solar cells with suppressed non-radiative recombination by a Lewis base〉。

热稳定性 vs光电转换效率

以光电转换效率（power conversion efficiency）比较，现时全无机钙钛矿电池仍然不及有机-无机复合的钙钛矿太阳能电池，但后者缺点是热稳定性（thermal stability）不足。任教授指出，判定太阳能电池能否实际应用的其中一个指标，是电池要在高达摄氏85度的环境下依然维持良好性能，但有机-无机复合钙钛矿电池一般只能在摄氏60至65度或以下的环境下运作。朱博士解释：“当温度达摄氏85度，有机-无机复合钙钛矿中的有机部分会分解。相反，全无机钙钛矿有更佳的热稳定性，可抵受高温，令电池可适用于较为极端的环境，例如沙漠。”

 ​​​​​​提升效能的秘密︰以小分子添加剂钝化钙钛矿层

因此，近年科研界积极找寻方法，提高全无机钙钛矿的光电转换效率。研究团队用上一年时间，研发出一种光电转换效率和稳定性均有所提高的全无机钙钛矿电池，独特之处在于使用了钝化方法。所谓钝化，就是降低物质表面活性，常用于有机太阳能电池的物料。

 

 

任教授解释，制备钙钛矿时涉及快速结晶的过程，表面或晶界有时会出现一些缺陷，这些缺陷会“困著”电荷，令电荷无法自由流动，窒碍电流形成，造成开路电压（open-circuit voltage）严重流失，是全无机钙钛矿电池光电转换效率不高的主因。于是他们在制备钙钛矿的过程中，添加特制的小分子6T1C-4F以钝化钙钛矿的表面，发现结晶的颗粒增大了，减少了晶界的缺陷以及电流的流失。

他们的实验显示，添加6T1C-4F后，开路电压从1.10V显著提高到1.16V。除了开路电压，填充因子（Fill Factor, 即电子有否被有效收集）及短路电流（Short circuit current）亦会影响光电转换效率，而这些指标在添加6T1C-4F作钝化后全部有所改善。

 

新研发的全无机钙钛矿电池的光电转换效率为16.1%，是同类型的全无机钙钛矿电池当中的最高记录，获中国计量科学研究院认证的效率亦高达15.6%。

研究结果亦显示，电池的光稳定性有所提高，在连续照射350小时后，能量转化效率只下降了约15%，而且6T1C-4F亦能保护钙钛矿的表面免受湿气、氧气和光线的侵蚀。

应用潜力无限

任教授表示，是次研究成果的突破在于找出了简单方法，便可制成光电转换效率与稳定性兼具的全无机钙钛矿电池。“我们相信，全无机钙钛矿电池的光电转换效率将有进一步提升的潜力。”他说。

他又补充，这款全无机钙钛矿电池的结构设计是“倒装式”，适合制成叠层式太阳能电池（tandem solar cells）。叠层式太阳能电池能同时吸收不同光谱的太阳光，提升光电转换效率；科研界预料，其光电能量转换率将可超过30%。

于钙钛矿研究领域领先、相关论文广被引用的任教授表示，科研人员对钙钛矿电池展开研究只有约十年时间，但利用钙钛矿做太阳能电池的能量转换效率，已由最初的3.8%急增至超过25%，已直迫我们现时常用、发展了五十年的硅基太阳能电池，而且钙钛矿以溶液制成，“可以像印报纸的油墨般，‘打印’在弹性胶片制成柔性电池，或成为玻璃窗上的涂层去吸收阳光”，因此应用潜力极大。

他强调，钙钛矿电池制作并不复杂，容易大量生产以减低成本，制造钙钛矿电池所需的能源更是硅基太阳能电池所需的十分之一，一旦商业化，相信有助解决能源危机。朱博士补充说：“是次研究最困难的地方，是平衡系统的稳定性与能量转换效率。我们长远的研究目标之一，是提升无机钙钛矿商品化的潜力。”

任教授、朱博士和华南理工大学叶轩立教授均是论文的通讯作者。 论文的共同第一作者是来自城大化学系的博士生王晶及博士后研究员张杰博士。 其他研究团队成员包括来自华南理工大学的薛启帆博士和周颖芝、华盛顿大学化学系的李晓松教授和刘弘斌博士，以及国立台湾大学化学工程学系阙居振助理教授。

 

这项研究获城大、创新及科技基金、美国国家科学基金会、广东省自然科学基金等支持。

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

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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