港科大團隊揭示鈣鈦礦太陽能電池的隱藏結構

　　近日，香港科技大學（簡稱“港科大”）化學與生物工程系副教授周圓圓團隊的研究成果發表于《自然—能源》。研究團隊發現，鈣鈦礦薄膜的晶粒底部廣泛存在表面內凹的結構，并揭示了這種結構對于鈣鈦礦薄膜性能和可靠性的重要影響。

　　基于這項新發現，研究團隊開創了一種有效消除這些晶粒表面內凹結構的新方法，使鈣鈦礦太陽能電池更加高效和穩定。

　　鈣鈦礦太陽能電池被廣泛認為有望在電網供電、便攜電源和太空光伏電池等廣闊的應用場景中取代現有的矽基太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池不僅具有比商用矽電池更高的功率轉換效率，還在原料和制造成本低廉、可持續制造，并可特制不同透明度和顏色的電池等方面具有優點。然而，鈣鈦礦器件在光、濕、熱致應力下的長期穩定性仍是其商業化的主要障礙。

　　為解決這一問題，周圓圓團隊從材料微結構這一方向開展基礎研究工作。他們發現，在鈣鈦礦薄膜的晶粒廣泛存在表面內凹幾何形貌，這種高度隱蔽的內凹結構破壞了鈣鈦礦薄膜界面的結構完整性，是限制鈣鈦礦電池功率轉換效率和穩定性的隱藏因素。

　　研究團隊利用表面活性劑分子“十三氟己烷-1-磺酸鉀”來操控鈣鈦礦薄膜形成過程中的應變演化和離子擴散過程，成功消除晶粒表面內凹結構。團隊以此制作的鈣鈦礦太陽能電池在熱循環、濕熱和最大功率點跟蹤的標準測試中，其耐久性顯著提升。

　　論文作者、課題組博士生張雅嵐說：“微結構對鈣鈦礦太陽能電池和其他光電器件至關重要。由于鈣鈦礦材料的‘有機—無機雜化特性’，其微結構比傳統材料更復雜。我們開發了各種新穎的表征和數據科學方法，以深入了解鈣鈦礦的微結構。”

　　“晶粒表面存在的內凹結構通常隱藏在鈣鈦礦薄膜底部，因此過去的研究人員往往很容易忽略了它們的存在。”論文通訊作者周圓圓說道。

　　他表示：“單個晶粒的結構和幾何特征決定了鈣鈦礦太陽能電池和其他半導體器件的性能。通過揭示晶粒表面內凹結構，研究它們對性能的影響，并利用化學工程定制其幾何形狀，我們正在開拓一種全新的鈣鈦礦太陽能電池制造方法，使其效率和穩定性接近理論極限。”