科大以分子界面工程提升太陽能電池效能及耐用性
推動鈣鈦礦光伏技術產業化
太陽能電池的效能與壽命往往取決於材料之間的微小界面。香港科技大學（科大）研究人員近日參與兩項研究，發現透過精準設計的分子界面層，可顯著提升新一代鈣鈦礦疊層太陽能電池的效能及耐用性。
兩項研究分別刊登於學術期刊《Joule》（影響因子為37.1）及《自然—通訊》，雖然針對不同疊層架構，卻帶出同一個核心訊息：分子界面並非單純連接不同材料的被動層，而是可主動引導鈣鈦礦薄膜結晶、減少能量損失、促進電荷傳輸，並保護器件免受退化影響的重要設計平台。
這兩項研究由科大電子及計算機工程學系助理教授林彥宏教授及科大顯示與光電子全國重點實驗室高級經理楊思恩博士共同帶領，充分結合科大在鈣鈦礦界面設計、光學表徵及疊層器件物理方面的科研優勢。其中，科大電子及計算機工程學系研究助理教授李鳳珠博士領導《Joule》論文的研究工作；科大電子及計算機工程學系博士研究生張青清女士則為《自然—通訊》論文的主要研究團隊成員之一。
林教授表示：「鈣鈦礦疊層太陽能電池發展到現階段，每一個界面都至關重要。這兩項研究展示了一個共同原理：分子界面可被設計成主動調控平台，用以優化結晶、減少能量損失及促進電荷傳輸，並在不同疊層架構中提升長期穩定性。」
刊登於《Joule》的研究題為 《Interface-mediated crystallization enables PEDOT:PSS-free all-perovskite tandems with 29.1% efficiency and enhanced durability》，李博士為該論文的共同第一作者及通訊作者之一，研究聚焦兩端子單片式全鈣鈦礦疊層太陽能電池。此類電池透過在同一結構中疊加兩種具互補能隙的鈣鈦礦吸收層，有望突破傳統單結太陽能電池的效能上限，同時兼顧輕量化及潛在低成本製造潛力。
然而，其發展仍面對關鍵挑戰，其中一項來自窄帶隙錫—鉛鈣鈦礦子電池的埋藏界面。現時不少高性能器件使用PEDOT:PSS作為空穴傳輸材料，惟該聚合物容易吸濕，並會與鈣鈦礦前驅體產生不良互動，在結晶過程中引發相分離，從而削弱器件效率與穩定性。
研究團隊透過原位表徵發現PEDOT:PSS會在混合錫—鉛鈣鈦礦薄膜形成過程中誘導不穩定的結晶路徑。為解決此問題，團隊以含吩噻嗪官能團的自組裝單分子層4PAPT取代PEDOT:PSS，促進直接相轉變、改善晶體取向，並減少非輻射復合損失。
此分子界面策略使窄帶隙單結鈣鈦礦太陽能電池的效率提升至23.2%。研究團隊進一步將該策略應用於單片式全鈣鈦礦疊層太陽能電池，並開發混合自組裝單分子層互連界面，在SnO₂/Au表面結合硫醇及膦酸錨定基團，形成緻密分子互連層，在避免PEDOT:PSS不穩定性的同時，維持高效電荷傳輸。
最終，不含PEDOT:PSS的全鈣鈦礦疊層太陽能電池錄得29.1%的報導光電轉換效率，為目前已報導不含PEDOT:PSS全鈣鈦礦疊層架構中的最高效率。經封裝的器件在約攝氏40度、模擬一倍太陽光及最大功率點追蹤條件下持續運作逾800小時後，仍可維持90%的初始效率。
李博士表示：「PEDOT:PSS的不穩定性不只是材料本身的問題，亦會影響鈣鈦礦薄膜在埋藏界面的形成過程。透過以分子設計的自組裝單分子層取代這一聚合物界面，我們能夠從結晶初期開始調控界面，並將這一優勢延伸至高效率疊層器件。」
另一項發表於《自然—通訊》的研究題為 《Self-assembled 1D/3D heterojunction enables all-inorganic perovskite 4-terminal tandem solar cells with 21.54% certified efficiency》，聚焦於另一條具互補性的技術路線，即四端子全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池。全無機鈣鈦礦因具備較佳耐熱及耐光照潛力而備受關注，但其表面仍容易受水分侵入而退化，並受缺陷導致的能量損失所限制。
為應對上述挑戰，研究團隊使用四丁基銨三氟甲磺酸鹽（TTFS）作為界面工程分子，透過原位自組裝方式，在全無機鈣鈦礦吸收層表面形成一維／三維（1D/3D）鈣鈦礦異質結。該分子具備雙重功能：其陽離子部分形成疏水屏障，有助阻隔水分；陰離子部分則可鈍化表面缺陷，並促進電子有效萃取。
憑藉此策略，研究團隊製備的半透明寬帶隙全無機鈣鈦礦頂電池取得17.10%的認證光電轉換效率。當其與窄帶隙全無機鈣鈦礦底電池組成四端子疊層器件後，整體認證效率提升至21.54%，為該類疊層太陽能電池已報導的最高認證效率。器件亦展現良好運行穩定性：在連續一倍太陽光及最大功率點追蹤條件下，於攝氏65度運作1,210小時後仍維持初始效率的80%；在攝氏85度下運作650小時後亦能維持初始效率的80%。
張青清女士與楊博士共同為該研究提供光致發光映射、光致發光量子產率映射，以及準費米能級分裂映射等表徵技術指導。這些光學映射技術有助研究團隊觀察工程化界面如何降低能量損失，並改善鈣鈦礦薄膜中的載流子動力學。
楊博士提到：「在這兩項研究中，我們共同關注的是界面在器件效率損失出現之前究竟發生了甚麼。透過光學及光電表徵，我們能夠將分子設計與電荷如何傳輸、如何復合，以及最終如何影響太陽能電池效能連繫起來。」
張青清女士指出：「透過空間光學映射，我們能夠觀察工程化1D/3D界面如何降低薄膜中的能量損失。這為分子界面設計同時提升全無機鈣鈦礦太陽能電池效率與穩定性提供了重要證據。」
綜合而言，兩項研究展示了分子界面工程如何進一步提升鈣鈦礦疊層光伏技術邁向高效能與長壽命。《Joule》研究透過移除不穩定聚合物界面並調控埋藏界面結晶，推動兩端子單片式全鈣鈦礦疊層路線；《自然—通訊》研究則透過構建兼具保護及電荷選擇功能的異質結，推進四端子全無機疊層路線。兩者共同指出，經分子設計的界面是推動鈣鈦礦太陽能電池邁向長期實際應用的關鍵。
《Joule》研究由科大聯同香港城市大學、南方科技大學、英國牛津大學等多支研究團隊完成；《自然—通訊》研究則由科大與北京大學深圳研究生院、魯東大學、深圳職業技術大學等機構合作完成。
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