二十一世纪以来,全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度,再加上環境污染日益嚴重,世界各国的科研人员都致力于开发新的綠色能源和可再生资源,以保证能源正常供应又能減低對環境的破壞。如今,硅基太阳能电池雖已发展了50年,应用也日趋广泛,但生产却因为原材料昂贵而走到了瓶颈期。所幸期间也涌现出不少新技术,包括有机-无机复合的钙钛矿太阳能电池(organic–inorganic hybrid perovskite solar cells)与全无机钙钛矿太阳能电池(all-inorganic perovskite solar cells)。當中,虽然有机-无机复合钙钛矿电池在光电转换效率上更胜一筹,但当温度达摄氏85度时,它的有机部分就会分解。相反,全无机钙钛矿雖然光电转换效率較差,卻在高温下有較佳的热稳定性(thermal stability),甚至可适用于沙漠这样较为极端的环境。
因此,香港城市大学的研究团队近年来一直在积极探研提高全无机钙钛矿光电转换效率的方法。全无机钙钛矿电池光电转换效率不高的主因,是制备钙钛矿时涉及快速结晶的过程,表面或晶界有时会出现一些缺陷,而这些缺陷会令电荷无法自由流动,窒碍电流形成,造成开路电压(open-circuit voltage)严重流失。于是他们在制备钙钛矿的过程中,添加了特制的小分子6T1C-4F,以減少表面或晶界的缺陷。研究结果发现,开路电压从1.10V显著提高到1.16V,且填充因子(Fill Factor, 即电子有否被有效收集)及短路电流(Short circuit current)在添加6T1C-4F作钝化后都有所改善。研究结果还显示,在连续照射350小时后,电池的能量转化效率只下降了约15%。这说明添加6T1C-4F以钝化钙钛矿的表面,不仅能保护钙钛矿的表面免受湿气、氧气和光线的侵蚀,而且结晶的颗粒增大了,能有效减少晶界缺陷及电流流失,使得全无机钙钛矿电池的光电转换效率和稳定性均能有所提高。
据悉,香港城大上述新研发的全无机钙钛矿电池的光电转换效率为16.1%,而获中国计量科学研究院认证的效率亦高达15.6%。
這次研究由香港城大学务副校长兼化学及材料科学讲座教授任广禹教授領導,他在在钙钛矿研究领域领先,其相关论文广被引用。他指出,這次研究成果的突破在於找出了簡單方法,便可製成光電轉換效率與穩定性兼具的全无机钙钛矿电池。他相信, 全无机钙钛矿电池的光电转换效率还有进一步提升的潜力。
他又指出,他們这款全无机钙钛矿电池的结构设计是“倒装式”,适合制成叠层式太阳能电池(tandem solar cells)。叠层式太阳能电池的的特色是,能同时吸收不同光谱的太阳光,因此科研界預料,其光电能量转换率未来可超过30%。
任教授还表示,科研人员对钙钛矿电池展开研究虽然只有约十年时间,但钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已由最初的3.8%急增至超过25%,直逼我们现时常用的硅基太阳能电池。加上钙钛矿以溶液制成,不仅制作简单易大量生产,制造所需的能源更只是硅基太阳能电池所需的十分之一,应用潜力极大。倘若商业化,必定对解决现时的能源危机大有裨益。
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