太陽能電池突破:更高效、可擴展及環保

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香港城市大學(城大)科學家領導的團隊研發出新方法,令太陽能發電更有效、更環保。

這項研究突破是在鈣鈦礦太陽能電池中使用新型金屬有機框架材料,不僅令其操作更穩定,也能使電池中的鉛不易洩漏。

眾所周知,太陽能是一種可靠的可再生能源,近年發展迅速。混合有機與無機材料的鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率逐漸超過矽太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池的產量漸增,用途日廣,可能會因洩漏鉛而危害環境。

城大研究團隊找出可能解決這個問題的長遠方案。經過一年時間,團隊試驗出一種可應用於現今鈣鈦礦太陽能電池的突破性二維共軛金屬有機框架材料,為該技術的大規模商品化開闢道路。

學務副校長兼化學及材料科學講座教授任廣禹教授表示,研究結果表明電池的可持續性有所提升,運作穩定性良好,能源轉換效能亦有增強。

生產鈣鈦礦太陽能電池需使用不同的材料層,而新的金屬有機框架是最後一層材料。要製造對環境危害較小的太陽能電池,重點在於這個新材料層。

任教授說:「新的功能化金屬有機框架材料能夠捕捉有毒鉛離子,這些鉛離子經過一段時間可能會因為設備性能下降而洩漏。鉛離子被捕捉後將形成不可溶物質,而這物質是非污染性的。」

此外,加速測試條件下的實驗表明,在受控條件下長時間暴露於外部因素後,鈣鈦礦太陽能電池具有出色的熱穩定性與良好性能。

然而新研製的金屬有機框架材料不止是保護層,亦是一種多功能材料,可在鈣鈦礦/陰極界面上作為活性電子提取層,這個材料層在把太陽光轉化為電能時發揮重要作用。

化學系徐政濤教授說:「鈣鈦礦太陽能電池現時使用的大多數保護層,都不具半導體的特性,因此對提升效率作用極小。」他指新發現的金屬有機框架材料是高效的電荷傳輸層。

新試驗的成分有更高的電子提取能力,導致填充因子上升,這令新型金屬有機框架材料具有較高的能源轉換效能。

化學系兼材料科學及工程學系助理教授朱宗龍博士說:「鈣鈦礦太陽能電池的多層結構確認了層與層之間存在電荷損失。與現有系統相比,電流-電壓曲線的正方形狀確保了已知可能的最佳填充因子,因而具有更佳能源轉換效能。」

這項突破性研究成果已在頂尖科學期刊《自然納米技術》上發表,題為「用於最低鉛洩漏的穩定鈣鈦礦太陽能電池之二維金屬有機框架材料」。

參與這項研究的還有該論文第一作者、化學系博士生吳聖釩,其他研究員來自城大化學系、材料科學及工程學系、西安交通大學、華盛頓大學、加州大學爾灣分校。

編輯注意:

檔案名稱:photo_1
圖片說明:研究團隊核心成員:(左起)吳聖釩、徐政濤教授、任廣禹教授、朱宗龍博士。

檔案名稱:photo_2
圖片說明:研究人員在手套箱內測試太陽能電池的性能。

新聞界查詢:城大傳訊及公關處蔡卓慧(電話:3442 9325或9787 7671)

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