城大开发崭新添加剂 提高钙钛矿太阳能电池效率及稳定性
钙钛矿太阳能电池由于具有高能量转换效率及成本低，被视为极有潜质替代传统硅晶太阳能电池。然而，其发展面临的主要挑战之一，是需要持续的稳定性。香港城市大学（城大）的科研团队最近便针对这问题取得了突破，开发出一种创新的多功能、非挥发性的添加剂，它可以通过调节钙钛矿薄膜的生长来提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。这种简单而有效的崭新策略将可促进钙钛矿太阳能电池的商品化发展。
带领这项研究的城大李兆基讲座教授（材料科学）兼香港清洁能源研究所所长任广禹教授说：“这种多功能添加剂能广泛适用于制备不同成分的钙钛矿，以制造高效和稳定的钙钛矿太阳能电池。高质量的钙钛矿薄膜将可促成大面积太阳能电池的升级发展。”
钙钛矿太阳能电池因其出众的太阳能能量转换效率而广受关注。由于钙钛矿可以从溶液沉积到制造表面之上，令这种太阳能电池可以应用于建筑一体化光伏装置、可穿戴的随身设备以及“太阳能农场”的设施。然而，钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，受制于钙钛矿材料界面和晶粒边界的缺陷所造成的严重能量损失，因此，钙钛矿薄膜质量的高低，在决定钙钛矿太阳能电池可达致的能量转换效率和稳定性方面，起着关键作用。
尽管之前许多研究都集中在使用挥发性的添加剂来改善钙钛矿薄膜的形态和质量，但有研究发现，这些添加剂在退火处理后往往会从薄膜逸出及消失，令钙钛矿与基底的界面产生空隙，影响了能量转换效率。
为解决上述难题，香港城大的科研团队开发了一种简单而有效的策略，来调节钙钛矿薄膜的生长以提高薄膜的质量。团队发现，通过在钙钛矿前驱体溶液中添加一种多功能分子（4-胍基苯甲酸盐酸盐，简称GBAC），能够形成一个氢键桥接的中间相并调节结晶过程，从而形成高质量的钙钛矿薄膜，使之不单具有钙钛矿大晶粒，兼且从薄膜底部到表面都能呈现连贯的晶粒生长。此外，由于添加的多功能分子具有不易挥发的优点，故此在钙钛矿薄膜退火处理之后，它还可以作为有效的缺陷钝化（一种降低钙钛矿薄膜缺陷密度的方法）连接剂，从而大幅减少非辐射复合损失，提高薄膜质量。
团队的实验结果显示，加入GBAC添加剂后，能够显著降低钙钛矿薄膜的缺陷密度。采用经改良的钙钛矿而制成的倒置（p-i-n）钙钛矿太阳能电池，其能量转换效率亦提升至24.8%（经日本电气安全与环境技术实验室（JET）认证为24.5%），是已知研究文献所报道的最高数值之一。与此同时，该太阳能电池装置的整体能量损失减少至0.36eV，亦是具有高能量转换效率的钙钛矿太阳能电池设备之中，能量损失最低的装置之一。
此外，在未经封装的太阳能电池呈现出更优秀的热稳定性。在氮气的实验环境里，即使在65±5℃的温度下连续加热超过1,000小时，它仍能保持最初能量转换效率的98%。
团队亦证明了新开发的添加剂策略对不同的钙钛矿成分和大面积装置，均普遍适用。例如，在实验中，一个较大面积（约一平方厘米）的太阳能电池装置使用了新的添加剂策略之后，能量转换效率高达22.7%，显示了新技术在制造可扩展和高效的钙钛矿太阳能电池方面的巨大潜力。
“今次的研究成果，为实现钙钛矿薄膜质量的优化提供了一条清晰的新路径，以促进高效且稳定的钙钛矿太阳能电池的开发，从而提升并扩大它的实际可应用范围。”任教授补充说。
团队将进一步伸延分子的结构，并通过成分和界面工程优化相关器件的构造，他们亦会专注于大面积钙钛矿太阳能电池装置的制造。
上述研究成果已于科学期刊《Nature Photonics》上刊载，标题为〈Hydrogen-bond-bridged intermediate for perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability〉。
任教授是论文的通讯作者，共同第一作者是来自任教授研究小组的李凤珠小姐和邓祥博士。其他来自城大的团队成员包括陈先凯博士、曾世荣博士、杨征保博士、Francis Lin博士和吴圣钒博士。
本次研究得到城大、香港创新科技署、研究资助局、环境及生态局的低碳绿色科研基金，以及广东省基础与应用基础研究重大项目和粤港澳光电磁功能材料联合实验室的支持。