科大工学院研究团队发现钙钛矿太阳能电池的隐藏结构奥秘

香港科技大学（科大）工学院的研究团队首次发现，钙钛矿薄膜的晶粒底部广泛存在表面内凹的结构，并揭示了这种结构对於钙钛矿薄膜性能和可靠性的重要影响。基於这项新发现，团队开创了一种有效消除这些晶粒表面内凹结构的新方法，使钙钛矿太阳能电池更加高效和稳定。

钙钛矿太阳能电池是一种极巨潜力的光伏技术，被广泛认为有望在电网供电丶便携电源和太空光伏电池等广阔的应用场景中取代现有的矽基太阳能电池。钙钛矿太阳能电池具有其独特优势，它目前不仅具有比商用矽电池更高的功率转换效率，还在原料和制造成本低廉丶可持续制造，并可特制不同透明度和颜色的电池等方面具有优点。然而，钙钛矿器件在光丶湿丶热致应力下的长期稳定性仍然是其商业化的主要障碍。

为解决这一问题，科大化学及生物工程学系副教授周圆圆带领的研究团队，从材料微结构这一独特方向开展基础研究工作。研究团队发现，在钙钛矿薄膜的晶粒广泛存在表面内凹几何形貌。这种高度隐蔽的内凹结构破坏了钙钛矿薄膜界面的结构完整性，是限制钙钛矿电池功率转换效率和稳定性的隐藏因素。

研究团队采用创新方法，透过利用表面活性剂分子「十三氟己烷-1-磺酸钾」（tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium）来操控钙钛矿薄膜形成过程中的应变演化和离子扩散过程，成功消除晶粒表面内凹结构。团队以此制作的钙钛矿太阳能电池在热循环丶湿热和最大功率点跟踪的标准测试中表现出显着提升的耐久性。

这项研究的通讯作者周教授说：「单个晶粒的结构和几何特徵将决定了钙钛矿太阳能电池和其他半导体器件的性能。透过揭示晶粒表面内凹结构丶研究它们对性能的影响，并利用化学工程定制其几何形状，我们正在开拓一种全新的钙钛矿太阳能电池制造方法，使其效率和稳定性接近理论极限。」

他进一步补充道：「当我们用原子力显微镜仔细检查钙钛矿薄膜晶粒表面的结构细节时，我们对晶粒表面存在的内凹结构非常感兴趣。这些内凹结构通常隐藏在薄膜底部，因此过去的研究人员往往很容易忽略了它们的存在。」

这项研究的合着者之一丶周教授的博士生张雅岚说：「微结构对钙钛矿太阳能电池和其他光电器件至关重要。由於钙钛矿材料的『有机—无机杂化特性』，其微结构比传统材料更复杂。因此，周教授带领我们开发了各种新颖的表徵和数据科学方法，以深入了解钙钛矿的微结构。」

团队的研究已发表在国际知名期刊《自然能源》（Nature Energy）上，题为「Elimination of Grain Surface Concavities for Improved Perovskite Thin-Film Interfaces」，合作夥伴包括香港浸会大学和美国耶鲁大学的研究人员。

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（原文於2024年7月19日在EurekAlert刊登。）