钙钛矿太阳能电池颠覆性技术即将商用？港科大工程研究人员破解提高钙钛矿太阳能电池效率和耐用性的密码

光伏（PV）技术，即将光转化为电能的技术，正越来越多地被应用于全球范围内的可再生能源发电。香港科技大学（HKUST）工程学院的研究人员开发了一种分子处理方法，大幅提高了钙钛矿太阳能电池的效率和耐久性。他们的突破有望加速这种清洁能源的大规模生产。研究团队成功确定了影响卤化物钙钛矿（下一代光伏材料之一）性能和寿命的关键参数。这种材料因其独特的晶体结构而成为光伏设备中最有前途的材料之一。相关研究成果已发表在《科学》杂志上。

  钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池自问世以来，因其高效能、低成本和制备工艺简便等优势，迅速成为光伏研究领域的焦点。钙钛矿材料具有优异的光电特性，其光吸收范围宽、载流子迁移率高、激子束缚能低等特点，使其在光电转换效率方面潜力巨大。特别是近年来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在实验室条件下已超过25%，接近传统硅基太阳能电池的水平。

钙钛矿材料的另一大优势在于其制造工艺简单且成本低廉。与硅基太阳能电池需要高温高压的复杂制造过程不同，钙钛矿材料可以通过溶液加工、喷涂和印刷等低温方法制备，这不仅大幅降低了生产成本，还使得其在柔性基板上的应用成为可能，为未来可穿戴设备和建筑一体化光伏系统提供了更多可能性。

然而，尽管钙钛矿太阳能电池展示出显著的优点，其商业化应用仍面临一些挑战。主要问题包括材料的长期稳定性、环境友好性以及大面积制备的一致性。钙钛矿材料对湿度、氧气和光照等环境因素较为敏感，容易发生降解，导致性能衰退。因此，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和耐久性是当前研究的重要方向。

在香港科技大学电子与计算机工程系和先进显示与光电技术国家重点实验室林彦鸿助理教授的领导下，研究团队研究了多种钝化方法。钝化是一种化学过程，旨在减少材料中的缺陷数量或减轻其影响，从而提高这些材料组成的设备的性能和寿命。他们专注于“氨基硅烷”分子家族用于钝化钙钛矿太阳能电池。林教授解释说，“在过去的十年中，钝化在提高钙钛矿太阳能电池效率方面非常重要。然而，导致最高效率的钝化途径往往不能显著提高长期运行的稳定性。”

港科大电子及计算机工程学系、先进显示与光电子技术国家重点实验室的助理教授林彦宏（右）、港科大电子及计算机工程学系博士生曹雪莉（中）及先进显示与光电子技术国家重点实验室高级经理杨思恩博士（左） 图源：香港科技大学

研究团队首次展示了不同类型的胺（初级、次级和三级）及其组合如何改善钙钛矿薄膜表面的大量缺陷。他们采用了“外部”（操作环境外）和“内部”（操作环境内）两种方法来观察分子与钙钛矿的相互作用，从而确定了显著提高光致发光量子产率（PLQY，即材料激发过程中发射的光子数量）且缺陷更少、质量更好的分子。

“这种方法对于串联太阳能电池的发展至关重要。串联太阳能电池结合了具有不同带隙的多层光活性材料，通过在每一层吸收阳光的不同部分来最大限度地利用太阳光谱，从而实现更高的整体效率。”林教授进一步阐述了这一应用。串联太阳能电池的核心优势在于其能够通过叠加多个具有不同带隙的光电材料层，从而在更广泛的光谱范围内吸收太阳能。这种设计不仅提高了电池的能量转换效率，还能够在相同的面积下获得更高的输出功率，使其在实际应用中更具竞争力。

在他们的太阳能电池演示中，团队制造了中型（0.25 cm²）和大型（1 cm²）尺寸的设备。实验在广泛的带隙范围内实现了低光电压损失，并保持了高电压输出。这些设备的开路电压超过了热力学极限的90%。与现有文献中的约1,700组数据进行对比显示，他们的结果在能量转换效率方面是迄今为止报道的最佳结果之一。更为重要的是，研究表明，氨基硅烷钝化的电池在国际有机太阳能电池峰会（ISOS）-L-3协议（太阳能电池标准测试程序）下表现出显著的运行稳定性在电池老化过程的约1,500小时后，最大功率点（MPP）效率和光电转换效率（PCE）仍保持在高水平。最佳钝化电池的MPP效率和PCE分别记录为19.4%和20.1%，是迄今为止报道的最高和最长的指标之一（考虑带隙因素）。

 氨基硅烷分子及其制造和光电特性 图源：《Science》

林教授强调，他们的处理过程不仅提高了钙钛矿太阳能电池的效率和耐久性，而且与工业规模生产兼容。“这种处理类似于半导体行业广泛使用的HMDS（六甲基二硅氮烷）底漆工艺。”他说。“这种相似性表明我们的新方法可以很容易地整合到现有的制造工艺中，使其具有商业可行性，并为大规模应用做好准备。”

研究团队包括电子与计算机工程系的博士生曹雪莉、先进显示与光电技术国家重点实验室的高级经理杨博士，以及来自牛津大学和谢菲尔德大学的合作伙伴。