香港科技大学的研究人员创新了一种分子技术，以提高钙钛矿太阳能电池的效率和使用寿命，这可能会促进可再生能源技术在工业规模上的扩展。

光伏（PV）技术将光转化为电能，如今正日益成为全球生产可再生能源的重要手段。香港科技大学工程学院的研究人员开发了一种分子处理工艺，显著提高了钙钛矿太阳能电池的效率和使用寿命。这一突破有望加快这种清洁能源的规模化生产。

解决问题的关键在于他们成功识别出决定卤化物钙钛矿性能和寿命的关键参数。卤化物钙钛矿是一种下一代光伏材料，因其独特的晶体结构而成为了光伏器件中最有前景的材料之一。该发现已发表在《科学》杂志上。

该研究团队由电子与计算机工程系的助理教授林彦宏 (Lin Yen-Hung) 和先进显示与光电技术国家重点实验室领导，他们调查了各种钝化方法，这是一种化学过程，可以减少材料中的缺陷数量或减轻其影响，从而提高由这些材料组成的设备的性能和寿命。他们专注于用“氨基硅烷”分子族对钙钛矿太阳能电池进行钝化。

提高太阳能电池效率和寿命

林教授解释说：“过去十年来，多种形式的钝化在提高钙钛矿太阳能电池的效率方面一直非常重要。但是，导致最高效率的钝化途径往往不会显著提高长期运行稳定性。”

研究团队首次展示了不同类型的胺（伯胺、仲胺和叔胺）及其组合如何能够改善钙钛矿薄膜表面，而这些表面正是许多缺陷形成的地方。他们利用“非原位”（操作环境外）和“原位”（操作环境内）两种方法观察分子与钙钛矿的相互作用，从而实现了这一点。据此，他们确定了能够显著提高光致发光量子产率（PLQY）的分子，即材料激发过程中发射的光子数量，表明缺陷更少，质量更好。

“这种方法对串联太阳能电池的发展至关重要，这种电池将多层具有不同带隙的光敏材料结合在一起。该设计通过让每个层吸收太阳光的不同部分，来最大化地利用太阳能光谱，从而实现更高的整体效率，”林教授详细阐述了该应用。

在他们的太阳能电池演示中，该团队制造了中等（0.25平方厘米）和大（1平方厘米）尺寸的设备。实验在很宽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达到了热力学极限的90%以上。与现有文献中的约1700组数据进行比较表明，他们的成果在能量转换效率方面是目前报告过的最好的之一。

证明运营稳定性

更重要的是，该研究表明，在国际有机太阳能电池峰会（ISOS）-L-3协议下，氨基硅烷钝化电池的运行稳定性显著，这是一种针对太阳能电池的标准测试程序。电池老化过程大约1500小时后，最大功率点（MPP）效率和光电转换效率（PCE）保持在较高水平。最佳钝化电池的冠军MPP效率和冠军PCE分别记录为19.4%和20.1%，这是迄今为止报道的（考虑到带隙）最高且最长的指标，并且最佳钝化电池的冠军MPP效率和冠军PCE下降到其初始值的95%。

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，而且与工业生产规模相兼容。

“这种处理方法类似于半导体工业中广泛使用的六甲基二硅氮烷（HMDS）预处理工艺，”他说。“这种相似性表明，我们的新方法可以很容易地融入现有的制造工艺中，使其在商业上可行并准备好进行大规模应用。”

参考：林延宏、维克拉姆、冯宁阳、曹雪丽、阿卡什·达斯古普塔、罗伯特·D·J·奥利弗、亚历山大·M·乌拉托夫斯基、梅丽莎·M·麦卡锡、沈心意、袁启木、格雷森·克里斯托弗罗、费恩·斯泽·颜·杨、迈克尔·B·约翰斯顿、纳基塔·K·诺埃尔、劳拉·M·赫茨、赛义夫·伊斯兰和亨利·J·斯奈思，“带隙通用钝化技术实现低光电压损耗的稳定钙钛矿太阳能电池”，2024年5月16日，《科学》。DOI: 10.1126/science.ado2302

研究团队包括电子与计算机工程博士研究生曹雪丽，先进显示与光电子技术国家重点实验室的高级经理杨惠文博士，以及来自牛津大学和谢菲尔德大学的合作者。