城大科研团队研发出新策略 制成高效稳定的钙钛矿太阳能电池
由香港城市大学（城大）和伦敦帝国理工学院（帝国理工学院）的化学家共同领导的科研团队，最近研发出崭新、稳定以及高效能的钙钛矿太阳能电池。这次突破性的研究成果，势将有效加快钙钛矿光伏技术的商品化速度，并为钙钛矿太阳能电池的发展带来极大潜力，从而取代传统的硅晶太阳能电池。
钙钛矿和硅晶的对比
传统的太阳能电池由硅晶制成，优点是具有较高的光电转换效率和良好的稳定性，但缺点是价格相对高昂，而且硅晶光伏电池在效率发展方面，无论是从实际操作还是经济效益角度来看，均已接近极限。
相比之下，钙钛矿（perovskites）被视为极有机会取代硅晶，作为太阳能电池板的材料。钙钛矿太阳能电池不但成本低、生产所需温度较低，而且重量轻、也可以弹性弯曲。例如钙钛矿可以制成墨水，然后打印在塑料薄膜上，制成有弹性及可屈曲的太阳能电池，它也可以用作玻璃窗的涂层去吸收阳光，用途极为广泛。
在不同类型的钙钛矿太阳能电池当中，反式结构设计（inverted design configuration）的钙钛矿太阳能电池表现出卓越的稳定性，使它有潜质成为电池寿命可以媲美商用硅晶太阳能电池的竞争对手。然而，钙钛矿电池含有化学性活跃的物质，在高温和高湿度的环境下容易挥发和降解，降低了这种新型电池的运作寿命，而且至今未有一套有效策略，既能够获得优异的稳定性，又能显著提高反式钙钛矿太阳能电池的光电转换效率至达到25%，以便与商用的传统硅晶太阳能电池匹敌。
新策略克服效能障碍
香港城大化学系助理教授朱宗龙博士，被一种含有金属及名为二茂铁（ferrocenes）物料的独特性质所启发，成功研发出一种新的策略，克服了上述障碍。朱宗龙博士的研发团队与帝国理工学院的Nicholas Long教授合作，巧妙地把二茂铁添加到钙钛矿太阳能电池内，作为“光吸收层”和“电子传输层”之间的界面，改善了电池的稳定性及效率，获得了重大突破。
朱博士说：“我们是全球第一个科研团队，成功把反式钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高至创纪录的25%，并通过了国际电工委员会（IEC）规定的稳定性测试标准。”上述最新科研成果，已经在著名科学期刊《科学》上发表，题为“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”。
本身是有机金属化学专家的Nicholas Long教授说：“二茂铁的独特性质，可以帮助解决钙钛矿电池所面对的稳定性及效率难题。”二茂铁是一种化合物，它的铁原子被两个碳环平面，如三文治般夹在中间。朱博士团队采用的二茂铁由Nicholas Long教授团队制备，这些二茂铁的碳环都连接着不同的有机官能团（organic groups）。朱博士解释说：“这些有机官能团可以减低钙钛矿表面的缺陷态密度，从而提高了钙钛矿电池的稳定性和效率。”
钙钛矿太阳能电池是由多层物料组成，其中钙钛矿是用来收集光，二茂铁分子则可以加快电子从钙钛矿层转移到“电子传输层”，从而提高光电转换效率。
这些有机官能团还有另一优点。朱博士解释说：“由我们联合科研团队所设计的二茂铁基有机金属化合物，可以通过强力的化学键，把离子牢牢地固定在钙钛矿的表面，从而降低太阳能电池对外部环境的敏感度，因此减慢了太阳能电池的降解。”
卓越稳定性有助促进走向商品化
香港城大科研团队在实验中，证实了这款新研发的反式钙钛矿太阳能电池，在连续光照中运行超过1,500小时，仍然能够保持超过98%的初始效率。这新式太阳能电池还通过了严格的光伏国际标准，在极湿热的环境（摄氏85度及85%湿度）下仍表现出卓越的稳定性。
“这次研究最重要的成果是，我们成功研制了既高效、又能维持良好稳定性的钙钛矿太阳能电池，而且相关成果获得国际标准验证，意味钙钛矿太阳能电池正走向商品化之路！”朱博士说。
香港城大和帝国理工学院联合科研团队已为这崭新的太阳能电池技术申请了专利。
朱博士总结说：“我们希望通过使用这种新颖的分子和简单方法，能加大钙钛矿太阳能电池的生产规模，为全球迈向零碳排放的可持续发展目标作出贡献！”
朱宗龙博士和Nicholas Long教授是相关研究论文的通讯作者。第一作者是香港城大化学系博士生李稹和吴鑫以及博士后研究员李博博士。其他香港城大科研团队成员包括化学系博士后研究员张守峰博士和博士生高丹鹏。
上述研究得到了香港城大、创新及科技基金、香港研究资助局、广东省自然科学基金等支持。
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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