科大工學院研究團隊發現鈣鈦礦太陽能電池的隱藏結構奧秘

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊首次發現，鈣鈦礦薄膜的晶粒底部廣泛存在表面內凹的結構，並揭示了這種結構對於鈣鈦礦薄膜性能和可靠性的重要影響。基於這項新發現，團隊開創了一種有效消除這些晶粒表面內凹結構的新方法，使鈣鈦礦太陽能電池更加高效和穩定。

鈣鈦礦太陽能電池是一種極巨潛力的光伏技術，被廣泛認為有望在電網供電、便攜電源和太空光伏電池等廣闊的應用場景中取代現有的矽基太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池具有其獨特優勢，它目前不僅具有比商用矽電池更高的功率轉換效率，還在原料和製造成本低廉、可持續製造，並可特製不同透明度和顏色的電池等方面具有優點。然而，鈣鈦礦器件在光、濕、熱致應力下的長期穩定性仍然是其商業化的主要障礙。

為解決這一問題，科大化學及生物工程學系副教授周圓圓帶領的研究團隊，從材料微結構這一獨特方向開展基礎研究工作。研究團隊發現，在鈣鈦礦薄膜的晶粒廣泛存在表面內凹幾何形貌。這種高度隱蔽的內凹結構破壞了鈣鈦礦薄膜界面的結構完整性，是限制鈣鈦礦電池功率轉換效率和穩定性的隱藏因素。

研究團隊採用創新方法，透過利用表面活性劑分子「十三氟己烷-1-磺酸鉀」（tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium）來操控鈣鈦礦薄膜形成過程中的應變演化和離子擴散過程，成功消除晶粒表面內凹結構。團隊以此製作的鈣鈦礦太陽能電池在熱循環、濕熱和最大功率點跟蹤的標準測試中表現出顯著提升的耐久性。

這項研究的通訊作者周教授說：「單個晶粒的結構和幾何特徵將決定了鈣鈦礦太陽能電池和其他半導體器件的性能。透過揭示晶粒表面內凹結構、研究它們對性能的影響，並利用化學工程定制其幾何形狀，我們正在開拓一種全新的鈣鈦礦太陽能電池製造方法，使其效率和穩定性接近理論極限。」

他進一步補充道：「當我們用原子力顯微鏡仔細檢查鈣鈦礦薄膜晶粒表面的結構細節時，我們對晶粒表面存在的內凹結構非常感興趣。這些內凹結構通常隱藏在薄膜底部，因此過去的研究人員往往很容易忽略了它們的存在。」

這項研究的合著者之一、周教授的博士生張雅嵐說：「微結構對鈣鈦礦太陽能電池和其他光電器件至關重要。由於鈣鈦礦材料的『有機—無機雜化特性』，其微結構比傳統材料更複雜。因此，周教授帶領我們開發了各種新穎的表徵和數據科學方法，以深入了解鈣鈦礦的微結構。」

團隊的研究已發表在國際知名期刊《自然能源》（Nature Energy）上，題為「Elimination of Grain Surface Concavities for Improved Perovskite Thin-Film Interfaces」，合作夥伴包括香港浸會大學和美國耶魯大學的研究人員。

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（原文於2024年7月19日在EurekAlert刊登。）