高稳定性及大幅减少含铅物质外泄的高效钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PVSCs）是被寄予厚望的未来太阳能电池，其光电转换效率于过去10年已显著提升，然而其不稳定性和对环境的潜在影响仍有待解决。由香港城市大学（香港城大）科学家领导的团队近日成功研发出崭新方法，可以在不影响效率的情况下，同时解决PVSCs铅泄漏和稳定性不佳的问题，令未来实际应用钙钛矿光伏技术，迈进一步。

研究团队由香港城大学务副校长兼化学及材料科学讲座教授任广禹教授，以及来自化学系的徐政涛教授和朱宗龙博士共同领导。他们的研究成果刚在科学期刊《自然‧纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表，题为〈2D metal-organic framework for stable perovskite solar cells with minimized lead leakage〉。

目前，PVSCs所录得的最高光电转换效率已经可以媲美最先进的硅基太阳能电池，但是因为钙钛矿的成份含有铅，衍生或毒害环境的隐忧。“当太阳能电池老化，内含的铅会泄漏，可能会透过雨水渗入泥土，带来毒害环境的威胁。＂钙钛矿太阳能电池专家任教授如此解释说。“PVSCs如果要大规模地商品化应用，就需要同时满足以下的条件：光电转换效率高、具备能长期运作的稳定性、及尽量减低对环境的影响。＂

任教授和朱博士带领研究团队与专长为材料合成的徐教授联手，将二维金属有机框架材料（metal-organic frameworks, MOFs）用于PVSCs，克服了上述的困难。任教授这样概括他们研究的突破：“我们是首支研究团队，成功制备出同时做到将铅外泄尽量降低、具良好长期运作稳定性，以及高光电转换效率的PVSC器件。＂

多功能的MOF层

金属有机框架材料（MOF）早已被用作钙钛矿生长模板的“支架＂，科学家亦会将MOF用作添加剂或表面改性剂以钝化（即降低物质表面反应活性）钙钛矿的缺陷，来提升器件的性能及稳定性。

不过大部分三维的MOF的载流子迁移率低（low charge-carrier mobility），几近绝缘， 因此不适合用作电荷传输材料。

然而，徐教授制备的MOFs则截然不同。它们是呈蜂窝状的二维结构，并配有大量硫醇基团（thiol groups）作为主要的官能团（即决定有机化合物的化学性质的原子和原子团）。该MOFs具备适当的能级（energy levels），所以能成为电子传输/提取层，即电子最终被PVSCs电极收集之处。徐教授解释说
：“我们经分子工程改造的MOF具有多功能半导体的性能，可用于提高电荷提取效率。＂

捕捉铅离子以防污染

更重要的是，MOFs中密集的硫醇基和二硫基阵列，可以“捕捉＂钙钛矿电极界面上的重金属离子，以减轻铅泄漏。

 

任教授解释说︰“我们的实验证明，用作PVSC器件外层的MOF可捕捉超过80%由降解了的钙钛矿中漏出的铅离子，并形成非水溶性复合物，避免了污染土壤。＂有别于其他研究为减少铅外泄而把器件包裹起来的封装方法，任教授团队制备的器件由于加入了MOF，能对铅进行原位化学吸附（ in-situ chemical sorption）。团队发现此方法对PVSC器件长期的实际应用而言，更为有效和可持续。

器件长期运作仍性能稳定

此外，这种MOF材料能保护钙钛矿免受湿气和氧气的影响，并维持器件运作的高效率。

经实验证明，团队以MOF改良的PVSC器件的光电转换效率可高达22.02%，填充因子为81.28%，开路电压则为1.20 V，是接近平面倒装PVSCs所录得的最高转换效率和开路电压。同时，该器件在相对湿度为75%的室温环境中展现出卓越的稳定性，在存放1,100小时后仍保持其初始效率的90%；相比之下，没有加入MOF的PVSC，其光电转换效率则显著下降至原本效率的50%以下。

 

另外，该器件在85°C高温兼连续光照条件下工作1,000小时后，仍能保持其初始效率的92%。朱博士说：“这种程度的稳定性其实已经符合国际电工委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）所设定的商品化标准。＂

任教授补充说：“这个结果意义重大，证明了我们的MOF方法在技术上是可行，而且具有将PVSC技术商品化的潜力。＂

用作洁净能源的高效PVSCs

团队用上接近两年的时间完成了这项令人鼓舞的研究。他们接下来将进一步提升器件的光电转换效率，并探讨降低生产成本的方法。

任教授总结说:“我们希望将来制造这类PVSCs就如‘印报纸＇般，并且易于扩大生产规模，以促进高效PVSCs于洁净能源的大规模应用。＂

 

任教授、徐教授与朱博士均为论文的通讯作者。论文第一作者是香港城大博士生吴圣钒。来自香港城大的研究团队成员还有李稹、李木清、刁莹雪、Francis Lin、刘田田、张杰以及齐峰。与团队携手完成此项研究的，还有来自西安交通大学、华盛顿大学与加利福尼亚大学尔湾分校的科研人员。

这项研究获得香港城大、香港研究资助局、广东省基础与应用基础研究重大项目和国家科学基金会等的资助进行。

DOI number: 10.1038/s41565-020-0765-7

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