高穩定性及大幅減少含鉛物質外洩的高效鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cells, PVSCs）是被寄予厚望的未來太陽能電池，其光電轉換效率於過去10年已顯著提升，然而其不穩定性和對環境的潛在影響仍有待解決。由香港城市大學（香港城大）科學家領導的團隊近日成功研發出嶄新方法，可以在不影響效率的情況下，同時解決PVSCs鉛洩漏和穩定性不佳的問題，令未來實際應用鈣鈦礦光伏技術，邁進一步。
研究團隊由香港城大學務副校長兼化學及材料科學講座教授任廣禹教授，以及來自化學系的徐政濤教授和朱宗龍博士共同領導。他們的研究成果剛在科學期刊《自然‧納米技術》（Nature Nanotechnology）上發表，題為〈2D metal-organic framework for stable perovskite solar cells with minimized lead leakage〉。
目前，PVSCs所錄得的最高光電轉換效率已經可以媲美最先進的矽基太陽能電池，但是因為鈣鈦礦的成份含有鉛，衍生或毒害環境的隱憂。「當太陽能電池老化，內含的鉛會洩漏，可能會透過雨水滲入泥土，帶來毒害環境的威脅。」鈣鈦礦太陽能電池專家任教授如此解釋說。「PVSCs如果要大規模地商品化應用，就需要同時滿足以下的條件：光電轉換效率高、具備能長期運作的穩定性、及盡量減低對環境的影響。」
任教授和朱博士帶領研究團隊與專長為材料合成的徐教授聯手，將二維金屬有機框架材料（metal-organic frameworks, MOFs）用於PVSCs，克服了上述的困難。任教授這樣概括他們研究的突破：「我們是首支研究團隊，成功製備出同時做到將鉛外洩盡量降低、具良好長期運作穩定性，以及高光電轉換效率的PVSC器件。」
多功能的MOF層
金屬有機框架材料（MOF）早已被用作鈣鈦礦生長模板的「支架」，科學家亦會將MOF用作添加劑或表面改性劑以鈍化（即降低物質表面反應活性）鈣鈦礦的缺陷，來提升器件的性能及穩定性。
不過大部分三維的MOF的載流子遷移率低（low charge-carrier mobility），幾近絕緣， 因此不適合用作電荷傳輸材料。
然而，徐教授製備的MOFs則截然不同。它們是呈蜂窩狀的二維結構，並配有大量硫醇基團（thiol groups）作為主要的官能團（即決定有機化合物的化學性質的原子和原子團）。該MOFs具備適當的能級（energy levels），所以能成為電子傳輸/提取層，即電子最終被PVSCs電極收集之處。徐教授解釋說：「我們經分子工程改造的MOF具有多功能半導體的性能，可用於提高電荷提取效率。」
捕捉鉛離子以防污染
更重要的是，MOFs中密集的硫醇基和二硫基陣列，可以「捕捉」鈣鈦礦電極界面上的重金屬離子，以減輕鉛洩漏。
任教授解釋說︰「我們的實驗證明，用作PVSC器件外層的MOF可捕捉超過80%由降解了的鈣鈦礦中漏出的鉛離子，並形成非水溶性複合物，避免了污染土壤。」有別於其他研究為減少鉛外洩而把器件包裹起來的封裝方法，任教授團隊製備的器件由於加入了MOF，能對鉛進行原位化學吸附（ in-situ chemical sorption）。團隊發現此方法對PVSC器件長期的實際應用而言，更為有效和可持續。
器件長期運作仍性能穩定
此外，這種MOF材料能保護鈣鈦礦免受濕氣和氧氣的影響，並維持器件運作的高效率。
經實驗證明，團隊以MOF改良的PVSC器件的光電轉換效率可高達22.02%，填充因子為81.28%，開路電壓則為1.20 V，是接近平面倒裝PVSCs所錄得的最高轉換效率和開路電壓。同時，該器件在相對濕度為75%的室溫環境中展現出卓越的穩定性，在存放1,100小時後仍保持其初始效率的90%；相比之下，沒有加入MOF的PVSC，其光電轉換效率則顯著下降至原本效率的50%以下。
另外，該器件在85°C高溫兼連續光照條件下工作1,000小時後，仍能保持其初始效率的92%。朱博士說：「這種程度的穩定性其實已經符合國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）所設定的商品化標準。」
任教授補充說：「這個結果意義重大，證明了我們的MOF方法在技術上是可行，而且具有將PVSC技術商品化的潛力。」
用作潔淨能源的高效PVSCs
團隊用上接近兩年的時間完成了這項令人鼓舞的研究。他們接下來將進一步提升器件的光電轉換效率，並探討降低生產成本的方法。
任教授總結說：「我們希望將來製造這類PVSCs就如『印報紙』般，並且易於擴大生產規模，以促進高效PVSCs於潔淨能源的大規模應用。」
任教授、徐教授與朱博士均為論文的通訊作者。論文第一作者是香港城大博士生吳聖釩。來自香港城大的研究團隊成員還有李稹、李木清、刁瑩雪、Francis Lin、劉田田、張傑以及齊峰。與團隊攜手完成此項研究的，還有來自西安交通大學、華盛頓大學與加利福尼亞大學爾灣分校的科研人員。
這項研究獲得香港城大、香港研究資助局、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和國家科學基金會等的資助進行。
DOI number: 10.1038/s41565-020-0765-7
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