鈣鈦礦太陽能電池新技術取得重大突破 成果刊於國際學術期刊《科學》

鄭智友

 

Professor Zhu Zonglong
朱宗龍教授

香港城市大學(城大)學者在研發改良鈣鈦礦太陽能電池方面取得重大突破,將為可再生能源發展帶來重要影響。

城大的創新發明可促進鈣鈦礦太陽能電池商業化,令我們早日達致由可持續來源驅動的節能未來。

城大化學系朱宗龍教授說:「這項新技術影響深遠,其潛在應用可徹底革新可再生能源產業。」上述研究計劃由朱教授與華中科技大學李忠安教授合作進行。 

鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率極高,因此被視為太陽能領域中極具潛質的前沿技術。可是,這種新電池有重大的缺點:高溫不穩定性,即電池在高溫下的效率可能下降。

城大團隊研發出一種獨特的「自組裝單層薄膜」(self-assembled monolayer, SAM),並將SAM與在氧化鎳納米顆粒薄膜結合作為電荷提取塗層。

朱教授說:「我們的技術可大幅提升鈣鈦礦太陽能電池的高溫穩定性。」並指出高溫穩定性是鈣鈦礦太陽能電池轉作商業化的關鍵因素。

朱教授說:「加上高熱穩定的電荷提取塗層後的鈣鈦礦太陽能電池,即使長時間在攝氏65度的高溫下運作,仍能保持初始效率的90%以上,並且能量轉換效率高達25.6%。這是一項里程碑式成就。」

上述研究刊登於國際學術期刊《科學》(Science),題為「為高效能倒置p-i-n鈣鈦礦太陽能電池而設的穩定空穴選擇層」(Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells)。

(Left) Perovskite solar cells under high temperature aging. (Right) Photo of perovskite solar cells with novel SAM.
(左)高溫老化下的鈣鈦礦太陽能電池。(右)使用新型SAM的鈣鈦礦太陽能電池。

 

團隊進行這項研究的出發點,是要解決太陽能產業的特別難題:如何突破鈣鈦礦太陽能電池的高溫不穩定性。

朱教授說:「雖然這類太陽能電池具有很高的能量轉換效率,但卻像一輛在清涼天氣下車速極快的跑車,一旦在熱天下就會過熱而表現失色。這成為影響其廣泛應用的重大障礙。」

城大團隊現正集中研發SAM,是這類電池的重要部分,希望進一步加強其成為對高溫敏感的防護罩。

朱教授說:「團隊發現高溫會令SAM內的分子化學鍵斷裂,削弱了電池的表現。我們的方案是通過多種實驗方法及理論計算,在氧化鎳納米顆粒薄膜層加上SAM,研製成一層抗熱的保護罩。」

為解決這問題,團隊研發出創新的方案:將SAM加固在本質穩定的氧化鎳納米顆粒薄膜層表面上,加強SAM對底層的連結力。此外,團隊自行研發創新的合成SAM分子,令鈣鈦礦太陽能電池更有效率地進行電荷抽取。

團隊的主要研究成果大有潛力改革太陽能產業。通過應用城大創新研發的SAM,鈣鈦礦太陽能電池的高溫穩定性得到改善,團隊為鈣鈦礦太陽能電池奠下良好的基礎,令電池在高溫下也能發揮高效表現。

朱教授說:「這項突破研究具有關鍵意義,掃除了以往鈣鈦礦太陽能電池未能廣泛應用的重大障礙。我們的發明可大幅擴展這類電池的用途,不再受高溫環境及氣候的限制。」

上述研究成果極為重要。城大提升了鈣鈦礦太陽能電池的商業應用,不但為再生能源市場引入嶄新產品,更有可能全面改造整個能源領域,在全球向可持續發展和高效率能源來源的轉變過程發揮重要作用。

朱教授說:「這項新技術一旦全面商業化,將有助減低我們對化石燃料的依賴,並為應對全球氣候危機作出重大貢獻。」

Molecular structure of the novel SAM, schematic illustration of SAM deposition method, and photovoltaic performance of SAM-based perovskite solar cells.
新型 SAM的分子結構、SAM沉積方法示意圖,及以SAM為基礎的鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能。

 

Electrical properties and theoretical calculations of perovskite solar cells under thermal stress.
熱應力下鈣鈦礦太陽能電池的電氣特性及理論計算。

 

 

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