更穩定、環保的 太陽能電池

太陽能是目前發展最快的電力來源，但目前常用的硅基太陽能電池已接近其理論最高效率和成本降低極限。城大任廣禹教授（李兆基講座教授（材料科學））一直致力開發更穩定、環保的鈣鈦礦及有機太陽能電池，任教授認為這類電池具有廣闊的應用前景，有望取代硅，成為光伏科技的未來。

作為一類新型材料，雜化鈣鈦礦具有許多理想特性，如在光伏太陽能電池中吸收光並將其轉化為電流的效率很高。目前，雜化鈣鈦礦已成為了太陽能電池領域的熱詞。

可打印的太陽能電池

作為鈣鈦礦和太陽能電池研究領域的重要專家和高被引學者，任教授指出，鈣鈦礦太陽能電池的研究起步於大約十年前，但其光電轉換效率已由3.8%大幅提高至25.5%，可與50多年前開發的硅基太陽能電池相媲美。

鈣鈦礦效率高，合成方法簡單，既可通過低成本溶液加工法實現，也可由低成本溶液制成。「就像報紙印刷中使用的墨水一樣，這種溶液可以‘打印’在塑料薄膜上作為柔性太陽能電池，也可以塗抹在窗戶上，看起來像有色玻璃，但卻能發電，應用潛力巨大。」 任教授說。

但是鈣鈦礦太陽能電池的不穩定性和潛在的環境影響問題還有待克服。鈣鈦礦中的含鉛成分對環境的潛在污染是人們關注的主要擔憂之一。任教授解釋：「例如，隨著太陽能電池老化，鉛成分可能會從電池中泄漏，並通過雨水滲入土壤。」

任教授與化學系徐政濤教授和朱宗龍博士一起，帶領團隊將二維金屬-有機框架應用於鈣鈦礦太陽能電池，以此來解決鉛泄漏等問題。

減輕鉛泄漏的保護層

金屬- 有機框架層是一種多功能蜂窩狀結構。它具有半導體性質，能“捕獲”重金屬離子形成不溶於水的絡合物,減輕鉛泄漏。它還可以作為一個保護層，防止水分和氧氣，同時保持高效率。金屬-有機框架層器件的光電轉換效率（超過22%）和開路電壓在目前反向平面鈣鈦礦太陽能電池功能轉化效率中最高。

此外，金屬-有機框架層提供了優越的長期操作穩定性。該設備在8 5 ° C 連續光照下運行1 ，0 0 0 小時後，效率仍保持在初始的92%，達到了國際電工委員會的商品化標准。

 

任教授表示：「我們的發現為解決鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和環境問題提供了一個綜合解決方案，穩定性和環境問題是鈣鈦礦太陽能電池實現大規模應用的兩大主要障礙。”」目前該團隊正致力於進一步提高電能轉換率，並探索降低生產成本的方法。

最高效的有機太陽能電池

任教授和朱博士還設計了各種有機、無機和雜化材料，用於不同類型的太陽能電池和光子器件。2020年9月, 他們與華盛頓大學合作開發的有機太陽能電池獲得了可再生能源研究領域標杆測試實驗室 — 美國國家可再生能源實驗室“最佳研究-電池效率圖表”的認可。經美國國家可再生能源實驗室認證，其光電轉換率達到1 7 . 5 %，是當時有機太陽能電池中最高的。

 

雖然有機太陽能電池的能量轉換效率不及鈣鈦礦太陽能電池，但任教授指出，有機太陽能電池的生產工藝比鈣鈦礦太陽能電池更環保，耗能更少。半透明有機太陽能電池還可應用於建材一體型太陽電池模板、溫室玻璃屋頂板等建築，實現電力自給自足。而有機太陽能電池的可折疊柔性無疑在新一代可穿戴電子設備中有著巨大的應用潛力。

任教授表示：「太陽能不再局限於屋頂上笨重堅硬的面板，這些新材料可以安裝在任何地方，從建築物和窗戶上的塗料再到移動設備甚至服裝，構成了一個可持續能源的集成系統。」

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