城大聯合團隊發明一步到位溶液塗層法 助推進鈣鈦礦太陽能電池的製造和商品化

鈣鈦礦太陽能電池因為高效率和低生產成本，一直被視為具潛質可發展成新一代光伏技術，能徹底革新可再生能源產業。然而，現有的「逐層」製造工序帶來生產成本偏高等挑戰，阻礙了這項太陽能技術的商品化。最近，香港城市大學（城大）和美國國家可再生能源實驗室（NREL）的研究人員便聯手開發了一種創新、一步到位的溶液塗層工序，能大幅簡化鈣鈦礦太陽能電池的生產流程，從而減少把它商品化的障礙。

「今次研究的突破，在於無需犧牲器件的功率轉換效率，仍可減少製造器件所需的加工步驟。故新技術將這有利於降低生產流程的複雜性及製造成本，從而提高把鈣鈦礦太陽能電池以具成本效益方法進行生產的可能性。」參與領導今次科研項目的城大化學系助理教授朱宗龍博士解釋道。

他續稱：「我們開發了一種嶄新的工序解決了製造的問題，我們僅須進行一個步驟的塗層工序，即可一步到位，同時形成鈣鈦礦層及空穴選擇層，從而獲得了極佳的24.5%的太陽能轉換效率，並為倒裝式鈣鈦礦太陽能電池帶來了特佳的穩定性。這有助於令這太陽能電池新技術向商品化邁進一步。」

一般來說，鈣鈦礦太陽能電池是使用「逐層」的工序製造，這製作工序涉及把太陽能電池的不同夾層，依次逐層沉積在彼此的上方。雖然這種製造方法在生產高性能的鈣鈦礦太陽能電池方面取得了成功，但它引起的問題，例如製造成本的增加、均勻性不足、可重複性不理想等，則可能會阻礙其商品化。

為了提高製造鈣鈦礦太陽能電池的成本效益，朱宗龍博士與美國國家可再生能源實驗室（NREL）的Joseph M. Luther博士合作，聯手開發出一種製造高效倒裝式鈣鈦礦太陽能電池的嶄新方法。該新方法提供了「一步解決方案」，可以在單一個溶液塗層工序中，同時自發形成「空穴選擇層」和鈣鈦礦吸光層。

研究團隊發現，如果在鈣鈦礦前驅體溶液中加入特定的磷酸或羧酸，在鈣鈦礦薄膜的加工過程中，該溶液會在銦錫氧化物基板上「自我組裝」，形成一層堅固的「自組裝單層薄膜」（self-assembled monolayer, SAM），當鈣鈦礦結晶化時，該薄膜更會成為極優秀的空穴選擇層。這單一步驟的溶液塗層工序不僅解決了潤濕性問題，它並可通過同時形成了空穴選擇層和鈣鈦礦光吸收器，簡化了器件的製造流程，而毋須如傳統造法般用逐層沉積的方式去製作。

團隊的實驗結果顯示，以上述嶄新方法製造的鈣鈦礦太陽能電池，呈現出高達24.5%的能量轉換效率。即使以最大功率連續照明及運行1200小時之後，仍能保持其最初能量轉換效率的90%以上。這優秀的能量轉換效率，能夠與商業市場上的同類鈣鈦礦太陽能電池媲美。

此外，聯合科研團隊亦證明了新開發的製作工序，與不同的自組裝單層分子系統、鈣鈦礦、溶劑和可擴展的加工方法（如旋塗和刀片刮塗技術）均兼容，所製造出來的鈣鈦礦太陽能電池的性能及表現，亦與以其他方法製造的同類電池相當。

朱博士說：「通過引入這種創新的方法，我們希望透過提出一種更直接的方法去製造高性能鈣鈦礦太陽能電池，為鈣鈦礦的研究社群作出貢獻，並盼可藉此加速鈣鈦礦太陽能電池的商品化，讓這科技更快得以投入市場。」

研究團隊下一步計劃更深入地探索自組裝單層分子結構和鈣鈦礦前驅體之間的關係，以求找出最適合新技術的最佳自組裝單層分子，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的整體性能。

上述研究成果已於科學期刊《自然-能源》（Nature Energy）發表，標題為〈Co-deposition of hole-selective contact and absorber for improving the processability of perovskite solar cells〉。

朱宗龍博士和Luther博士是論文的通訊作者，共同第一作者是NREL的鄭曉鵬博士及Chen Min博士、城大李稹先生以及瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）化學科學與工程學院Zhang Yi博士。其中在城大進行的研究工作，得到了香港創新及科技基金和低碳綠色科技基金的支持。