重磅！香港城市大学研发钙钛矿太阳能电池新技术重大突破，刊于顶级学术期刊《科学》
2023-10-26
香港城市大学（香港城大）学者在研发改良钙钛矿太阳能电池方面取得重大突破，将为可再生能源发展带来重要影响。
香港城大的创新发明可促进钙钛矿太阳能电池商业化，令我们早日达致由可持续能源驱动的节能未来。
香港城大化学系朱宗龙教授说：“这项新技术影响深远，其潜在应用可彻底革新可再生能源产业。”上述研究计划由朱教授与华中科技大学李忠安教授合作进行。
朱宗龙教授。（图片来源：香港城市大学）
崭新解决方案
钙钛矿太阳能电池的能量转换效率极高，因此被视为太阳能领域中极具潜质的前沿技术。可是这种新电池有重大的缺点：高温不稳定性，即电池在高温下的效率可能下降。
香港城大团队研发出一种独特的“自组装单层薄膜”（self-assembled monolayer，SAM），并将SAM与氧化镍纳米颗粒薄膜结合，作为电荷提取涂层。
朱教授说：“我们的技术可大幅提升钙钛矿太阳能电池的高温稳定性。”他并指出高温稳定性是钙钛矿太阳能电池转作商业化的关键因素。
朱教授说：“加上高热稳定的电荷提取涂层后的钙钛矿太阳能电池，即使长时间在摄氏65度的高温下运作超过1,000小时，仍能保持初始效率的90%以上，而且能量转换效率高达25.6%。这是一项里程碑式成就。”
上述研究刊登于国际学术期刊《科学》（Science），题为〈为高效能倒置p-i-n钙钛矿太阳能电池而设的稳定空穴选择层〉（Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells）。
新型SAM的分子结构、SAM沉积方法示意图，及以 SAM为基础的钙钛矿太阳能电池的光伏性能。（图片来源：香港城市大学朱宗龙教授研究团队）
改良抗热保护罩
团队进行这项研究的出发点，是要解决太阳能产业的特别难题：如何突破钙钛矿太阳能电池的高温不稳定性。
朱教授说：“虽然这类太阳能电池具有很高的能量转换效率，但像一辆在清凉天气下车速极快的跑车，一旦在热天下就会过热而表现失色。这成为影响其广泛应用的重大障碍。”
香港城大团队于是集中研发作为这类电池重要一部分的SAM，希望进一步加强SAM成为对抗高温敏感的防护罩。
朱教授说：“我们发现高温会令SAM内的分子化学键断裂，削弱了电池的表现。因此，我们的方案是通过多种实验方法及理论计算，把SAM加在氧化镍纳米颗粒薄膜层的上面，研制成一层抗热的保护罩。”
热应力下钙钛矿太阳能电池的电气特性及理论计算。（图片来源：香港城市大学朱宗龙教授研究团队）
为解决这问题，团队研发出创新的方案：将SAM加固在本质稳定的氧化镍纳米颗粒薄膜层表面上，加强SAM对底层的连结力。此外，团队自行研发创新的合成SAM分子，令钙钛矿太阳能电池更有效率地进行电荷抽取。
高温下取得更佳效率
团队的主要研究成果大有潜力改革太阳能产业。通过应用香港城大创新研发的SAM，钙钛矿太阳能电池的高温稳定性得到改善，团队为钙钛矿太阳能电池奠下良好的基础，令电池在高温下也能发挥高效表现。
朱教授说：“这项突破研究具有关键意义，扫除了以往钙钛矿太阳能电池未能广泛应用的重大障碍。我们的发明可大幅扩展这类电池的用途，不再受高温环境及气候的限制。”
通过引入热稳定性强的电荷提取层，改进后的钙钛矿太阳能电池即使在长时间（超过1,200小时）于高温环境（约65℃）下运行，仍能保持初始效率的90%以上。（图片来源：香港城市大学朱宗龙教授研究团队）
上述研究成果极为重要。香港城大提升了钙钛矿太阳能电池的商业应用，不但为再生能源市场引入崭新产品，更可能全面改造整个能源领域，在全球迈向可持续发展和高效率能源来源的转变过程发挥重要作用。
朱教授说：“这项新技术一旦全面商业化，将有助减低我们对化石燃料的依赖，并为应对全球气候危机作出重大贡献。”
使用新型SAM的钙钛矿太阳能电池。（图片来源：香港城市大学朱宗龙教授研究团队）
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