科大工學院研發突破　令太陽能電池更高效、更耐用

太陽能或光伏技術是指將光能轉化為電能的清潔可再生能源技術，在全球應用日趨普遍。香港科技大學（科大）工學院的研究人員開發了一種分子鈍化處理方法，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的效能和耐用性，有助於推進這種清潔能源的大規模生產。

是次突破的竅門，在於團隊成功識別出鈣鈦礦性能和壽命的關鍵材料參數。鈣鈦礦被譽為新一代光伏材料，由於它具有獨特的晶體結構，令它在光伏再生能源有著莫大的潛力。此項研究成果已於《科學》期刊上發表。

在科大電子及計算機工程學系、先進顯示與光電子技術國家重點實驗室的林彥宏助理教授帶領下，團隊探索了多種鈍化方法。鈍化是一種化學處理過程，可以減少材料中的缺陷，或減少缺陷帶來的影響，讓製造光伏器件時，電池性能得以提升，以及延長電池的工作壽命。而這個研究項目的一個重點，就是怎樣使用「氨基硅烷」系列分子來鈍化鈣鈦礦太陽能電池。

林教授介紹說：「怎樣可以提升鈣鈦礦太陽能電池的效能呢？在最近十年的技術發展中，『鈍化』工藝擔當了重要角色。然而『鈍化』有多種不同方式，其中能達致最高效能的那些方法，往往在器件長期工作的穩定性方面並不能帶來顯著改善。」

針對著鈣鈦礦多晶薄膜表面存在著大量的缺陷態，團隊首次展示了不同類型的氨類分子（即一級氨、二級氨或三級氨），以及如何使用這些氨類分子改善這些表面。他們分別使用「外部」（工作環境外）和「內部」（工作環境內）方法觀察分子與鈣鈦礦之間的相互作用，然後辨識出可以大幅提高光致發光量子效率的分子。換句話說，他們找到了哪些分子可以使得材料受激發時發射更多光子，令表面缺陷減少、品質提高。

林教授進一步解釋：「我們今次研發出這種方法，對於鈣鈦礦堆疊型太陽能電池的發展意義重大。鈣鈦礦堆疊型太陽能電池結合了具有不同帶隙的多層光活性材料，由於這種設計能在每一層吸收太陽光的不同部分，充分運用太陽光譜，所以它得以提高整體效能。」

在太陽能電池示範中，團隊製造了中等面積（0.25平方厘米）和大面積（1平方厘米）的電池器件。實驗發現，這種方法在不同的帶隙範圍都能將光電壓損失維持在低水平，保持高電壓輸出，這些電池器件達到了超過熱力學極限90%的高開路電壓。研究人員再分析測試數據，並與有文獻記錄的約1,700組數據進行基準比較，結果顯示，他們達到的能源轉換增益，屬迄今所知的最佳成績之一。

更重要的是，這項成果達到了《國際有機及混合型光伏穩定性峰會（ISOS）-L-3協議》下有關氨基硅烷鈍化電池高效運行穩定性的標準。測試當中，電池在經過大約一千五百小時的高強度加速老化過程後，最大功率點效率和功率轉換效率均保持在高水平。並且，依照降至初始值的95%來評估，團隊所獲得鈍化後的太陽能電池依舊保有19.4%之最佳最大功率點效率和20.1%之最佳功率轉換效率。與相對應的能帶帶隙之電池比較，這兩項數值所彰顯的成就，是在目前已知研究當中的最高效能及最長壽命。

林教授強調，團隊開發的氨基硅烷處理技術不僅有助提高鈣鈦礦太陽能電池的效能和提升耐用度，還適用於工業規模生產。

他說：「我們的技術其實類似半導體行業廣泛使用的六甲基二硅氨的氣相法處理工序，並且由於兩者的相似性，我們所開發的分子鈍化處理方法可以輕易地融入現有的製造工序，極為適用於光伏技術的大規模生產，以應用在商業級別的大面積太陽能電池與光伏器件上。」

團隊成員還包括科大電子及計算機工程學系博士生曹雪莉、先進顯示與光電子技術國家重點實驗室高級經理楊思恩博士，以及來自英國牛津大學和錫菲大學的合作夥伴。

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（原文於2024年8月1日在EurekAlert刊登。）