科大工学院研发突破　令太阳能电池更高效丶更耐用

太阳能或光伏技术是指将光能转化为电能的清洁可再生能源技术，在全球应用日趋普遍。香港科技大学（科大）工学院的研究人员开发了一种分子钝化处理方法，显着提高了钙钛矿太阳能电池的效能和耐用性，有助於推进这种清洁能源的大规模生产。

是次突破的窍门，在於团队成功识别出钙钛矿性能和寿命的关键材料参数。钙钛矿被誉为新一代光伏材料，由於它具有独特的晶体结构，令它在光伏再生能源有着莫大的潜力。此项研究成果已於《科学》期刊上发表。

在科大电子及计算机工程学系丶先进显示与光电子技术国家重点实验室的林彦宏助理教授带领下，团队探索了多种钝化方法。钝化是一种化学处理过程，可以减少材料中的缺陷，或减少缺陷带来的影响，让制造光伏器件时，电池性能得以提升，以及延长电池的工作寿命。而这个研究项目的一个重点，就是怎样使用「氨基硅烷」系列分子来钝化钙钛矿太阳能电池。

林教授介绍说：「怎样可以提升钙钛矿太阳能电池的效能呢？在最近十年的技术发展中，『钝化』工艺担当了重要角色。然而『钝化』有多种不同方式，其中能达致最高效能的那些方法，往往在器件长期工作的稳定性方面并不能带来显着改善。」

针对着钙钛矿多晶薄膜表面存在着大量的缺陷态，团队首次展示了不同类型的氨类分子（即一级氨丶二级氨或三级氨），以及如何使用这些氨类分子改善这些表面。他们分别使用「外部」（工作环境外）和「内部」（工作环境内）方法观察分子与钙钛矿之间的相互作用，然後辨识出可以大幅提高光致发光量子效率的分子。换句话说，他们找到了哪些分子可以使得材料受激发时发射更多光子，令表面缺陷减少丶品质提高。

林教授进一步解释：「我们今次研发出这种方法，对於钙钛矿堆叠型太阳能电池的发展意义重大。钙钛矿堆叠型太阳能电池结合了具有不同带隙的多层光活性材料，由於这种设计能在每一层吸收太阳光的不同部分，充分运用太阳光谱，所以它得以提高整体效能。」

在太阳能电池示范中，团队制造了中等面积（0.25平方厘米）和大面积（1平方厘米）的电池器件。实验发现，这种方法在不同的带隙范围都能将光电压损失维持在低水平，保持高电压输出，这些电池器件达到了超过热力学极限90%的高开路电压。研究人员再分析测试数据，并与有文献记录的约1,700组数据进行基准比较，结果显示，他们达到的能源转换增益，属迄今所知的最佳成绩之一。

更重要的是，这项成果达到了《国际有机及混合型光伏稳定性峰会（ISOS）-L-3协议》下有关氨基硅烷钝化电池高效运行稳定性的标准。测试当中，电池在经过大约一千五百小时的高强度加速老化过程後，最大功率点效率和功率转换效率均保持在高水平。并且，依照降至初始值的95%来评估，团队所获得钝化後的太阳能电池依旧保有19.4%之最佳最大功率点效率和20.1%之最佳功率转换效率。与相对应的能带带隙之电池比较，这两项数值所彰显的成就，是在目前已知研究当中的最高效能及最长寿命。

林教授强调，团队开发的氨基硅烷处理技术不仅有助提高钙钛矿太阳能电池的效能和提升耐用度，还适用於工业规模生产。

他说：「我们的技术其实类似半导体行业广泛使用的六甲基二硅氨的气相法处理工序，并且由於两者的相似性，我们所开发的分子钝化处理方法可以轻易地融入现有的制造工序，极为适用於光伏技术的大规模生产，以应用在商业级别的大面积太阳能电池与光伏器件上。」

团队成员还包括科大电子及计算机工程学系博士生曹雪莉丶先进显示与光电子技术国家重点实验室高级经理杨思恩博士，以及来自英国牛津大学和锡菲大学的合作夥伴。

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（原文於2024年8月1日在EurekAlert刊登。）