城大開發嶄新添加劑 提高鈣鈦礦太陽能電池效率及穩定性
鈣鈦礦太陽能電池由於具有高能量轉換效率及成本低，被視為極有潛質替代傳統矽晶太陽能電池。然而，其發展面臨的主要挑戰之一，是需要持續的穩定性。香港城市大學（城大）的科研團隊最近便針對這問題取得了突破，開發出一種創新的多功能、非揮發性的添加劑，它可以通過調節鈣鈦礦薄膜的生長來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。這種簡單而有效的嶄新策略將可促進鈣鈦礦太陽能電池的商品化發展。
圖片來源：香港城市大學
帶領這項研究的城大李兆基講座教授（材料科學）兼香港清潔能源研究所所長任廣禹教授說：「這種多功能添加劑能廣泛適用於製備不同成分的鈣鈦礦，以製造高效和穩定的鈣鈦礦太陽能電池。高質量的鈣鈦礦薄膜將可促成大面積太陽能電池的升級發展。」
鈣鈦礦太陽能電池因其出眾的太陽能能量轉換效率而廣受關注。由於鈣鈦礦可以從溶液沉積到製造表面之上，令這種太陽能電池可以應用於建築一體化光伏裝置、可穿戴的隨身設備以及「太陽能農場」的設施。然而，鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性，受制於鈣鈦礦材料界面和晶粒邊界的缺陷所造成的嚴重能量損失，因此，鈣鈦礦薄膜質量的高低，在決定鈣鈦礦太陽能電池可達致的能量轉換效率和穩定性方面，起著關鍵作用。
儘管之前許多研究都集中在使用揮發性的添加劑來改善鈣鈦礦薄膜的形態和質量，但有研究發現，這些添加劑在退火處理後往往會從薄膜逸出及消失，令鈣鈦礦與基底的界面產生空隙，影響了能量轉換效率。
圖片來源：© Li, F. et al., https://www.nature.com/articles/s41566-023-01180-6
為解決上述難題，城大的科研團隊開發了一種簡單而有效的策略，來調節鈣鈦礦薄膜的生長以提高薄膜的質量。團隊發現，通過在鈣鈦礦前驅體溶液中添加一種多功能分子（4-胍基苯甲酸鹽酸鹽，簡稱GBAC），能夠形成一個氫鍵橋接的中間相並調節結晶過程，從而形成高質量的鈣鈦礦薄膜，使之不單具有鈣鈦礦大晶粒，兼且從薄膜底部到表面都能呈現連貫的晶粒生長。此外，由於添加的多功能分子具有不易揮發的優點，故此在鈣鈦礦薄膜退火處理之後，它還可以作為有效的缺陷鈍化（一種降低鈣鈦礦薄膜缺陷密度的方法）連接劑，從而大幅減少非輻射複合損失，提高薄膜質量。
團隊的實驗結果顯示，加入GBAC添加劑後，能夠顯著降低鈣鈦礦薄膜的缺陷密度。採用經改良的鈣鈦礦而製成的倒置（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉換效率亦提升至24.8%（經日本電氣安全與環境技術實驗室（JET）認證為24.5%），是已知研究文獻所報道的最高數值之一。與此同時，該太陽能電池裝置的整體能量損失減少至0.36eV，亦是具有高能量轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池設備之中，能量損失最低的裝置之一。
此外，在未經封裝的太陽能電池呈現出更優秀的熱穩定性。在氮氣的實驗環境裡，即使在65±5℃的溫度下連續加熱超過1,000小時，它仍能保持最初能量轉換效率的98%。
團隊亦證明了新開發的添加劑策略對不同的鈣鈦礦成分和大面積裝置，均普遍適用。例如，在實驗中，一個較大面積（約一平方厘米）的太陽能電池裝置使用了新的添加劑策略之後，能量轉換效率高達22.7%，顯示了新技術在製造可擴展和高效的鈣鈦礦太陽能電池方面的巨大潛力。
「今次的研究成果，為實現鈣鈦礦薄膜質量的優化提供了一條清晰的新路徑，以促進高效且穩定的鈣鈦礦太陽能電池的開發，從而提升並擴大它的實際可應用範圍。」任教授補充說。
團隊將進一步伸延分子的結構，並通過成分和界面工程優化相關器件的構造，他們亦會專注於大面積鈣鈦礦太陽能電池裝置的製造。
上述研究成果已於科學期刊《Nature Photonics》上刊載，標題為〈Hydrogen-bond-bridged intermediate for perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability〉。
圖片來源：香港城市大學
任教授是論文的通訊作者，共同第一作者是來自任教授研究小組的李鳳珠小姐和鄧祥博士。其他來自城大的團隊成員包括陳先凱博士、曾世榮博士、楊征保博士、Francis Lin博士和吳聖釩博士。
是次研究得到城大、香港創新科技署、研究資助局、環境及生態局的低碳綠色科研基金，以及廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和粵港澳光電磁功能材料聯合實驗室的支持。