科大工學院研發創新「分子魔術貼」薄膜技術 顯著提升鈣鈦礦太陽能電池效能及穩定性
香港科技大學（科大）工學院研究團隊成功研發出一款高強度薄膜，能顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的耐久性。科大電子及計算機工程學系的研究團隊在模擬攝氏85度正午日照高溫環境下進行的測試顯示，該薄膜使太陽能電池連續運作逾1,100小時後仍能維持95%以上的初始效率，展現戶外應用的強大潛力，為高效、耐用且低成本的太陽能發電技術鋪路。
鈣鈦礦太陽能電池雖以高效率和低製造成本見稱，但因欠缺長期穩定性，其應用一直未能普及。現有技術常以「低維鈣鈦礦薄膜」覆蓋三維鈣鈦礦吸收層，以修復器件表面缺陷並提高電壓。然而，傳統薄膜普遍由單價銨鹽構成，與晶格的結合較弱，在高溫熱和光照下易分解，導致性能迅速下降。
為解決此問題，研究團隊成員之一的科大電子及計算機工程學系博士後研究員常曉明博士成功研發出一種新型多價脒陽離子配體，能夠透過脒基的兩個含氮位點，在鈣鈦礦表面實現多點錨定，如同「分子魔術貼」般固定位置，確保薄膜在運作期間保持穩定。
常博士解釋：「常用的銨–鹵鹽分子在高溫下會擴散至鈣鈦礦體，導致結構分解或與有機陽離子甲脒產生反應，削弱薄膜保護層，加速器件退化。相比之下，我們的多價脒陽離子配體具有近乎平面的分子構型和穩定的電荷分布，能與鹵素陰離子形成更強的氫鍵，從而抵抗分解。」
研究論文共同作者、科大電子及計算機工程學系助理教授林彥宏教授補充說：「我們利用原位高光譜成像技術進行分析。該專用儀器獲科大副校長（研究及發展）辦公室轄下的設備基金計劃資助，讓我們能夠在開路、最大功率點及短路等不同操作條件下，逐像素地繪製電荷萃取效率的空間分布。在加速老化測試中，採用『分子魔術貼』介面的器件，其光致發光分布與光譜幾乎不變，顯示該介面具有高度穩定性，而鈣鈦礦層的化學組成亦能長時間維持完整。」
研究的關鍵突破在於能夠更精細調控吡啶基中氮原子的鹼性。團隊亦發現，在低維鈣鈦礦薄膜結構中，三維連通的晶體網絡會被脒基配體分子打斷，改變金屬鹵化物八面體排列成一維鏈狀或二維片層狀。透過調節脒基配體的鹼性和分子構象，成功將表面鈣鈦礦從鏈狀的一維堆疊，轉換為氫鍵連結的片狀二維網絡，形成更連貫、更均勻的保護層。
在倒置結構鈣鈦礦器件中，這種三維／二維介面工程策略實現了約 1.1 cm2 器件25.4%的經認證穩態光電轉換效率，以及 6.8 cm2 小型組件 24.2% 的效率。
為了評估器件的壽命，團隊採用了ISOS（International Summit on Organic Photovoltaic Stability）測試標準，這是評估鈣鈦礦太陽能電池壽命的國際通用標準。在 ISOS-L-2 測試中，封裝電池在攝氏 85 度和相當於一倍太陽光強度（接近正午強烈陽光）下持連續運行 1,100 小時後，仍能維持初始效率逾 95% 的性能，充分展現出新設計的卓越耐久性。
林教授表示：「據我們所知，這是在同業評議出版物中報道的、針對活性面積約為 1 cm2 的鈣鈦礦太陽能電池的最高認證穩態效率。」
上述成果已在《科學》期刊發表，論文題為「多價配體調控倒置鈣鈦礦太陽能組件的維度工程」。
是項研究由科大與多所大學聯合進行，包括阿卜杜拉國王科技大學、香港中文大學（深圳）、陝西師範大學、高麗大學、新加坡國立大學、雅典國立技術大學及曼徹斯特大學。參與本研究的科大學者還包括林彥宏教授課題組，以及顯示與光電子全國重點實驗室高級經理楊思恩博士。
