科大研发创新分子魔术贴薄膜技术 显著提升钙钛矿太阳能电池效能及稳定性

香港科技大学（科大）工学院研究团队成功研发出一款高强度薄膜，能显著提升钙钛矿太阳能电池的耐久性。 科大电子及计算机工程学系的研究团队在模拟摄氏85度正午日照高温环境下进行的测试显示，该薄膜使太阳能电池连续运作逾1,100小时后仍能维持95%以上的初始效率，展现户外应用的强大潜力，为高效、耐用且低成本的太阳能发电技术铺路。

钙钛矿太阳能电池虽以高效率和低制造成本见称，但因欠缺长期稳定性，其应用一直未能普及。 现有技术常以低维钙钛矿薄膜覆盖三维钙钛矿吸收层，以修复器件表面缺陷并提高电压。 然而，传统薄膜普遍由单价铵盐构成，与晶格的结合较弱，在高温热和光照下易分解，导致性能迅速下降。

为解决此问题，研究团队成员之一的科大电子及计算机工程学系博士后研究员常晓明博士成功研发出一种新型多价脒阳离子配体，能够透过脒基的两个含氮位点，在钙钛矿表面实现多点锚定，如同「分子魔术贴」般固定位置，确保薄膜在运作期间保持稳定。

常博士解释：「常用的铵–卤盐分子在高温下会扩散至钙钛矿体，导致结构分解或与有机阳离子甲脒产生反应，削弱薄膜保护层，加速器件退化。 相比之下，我们的多价脒阳离子配体具有近乎平面的分子构型和稳定的电荷分布，能与卤素阴离子形成更强的氢键，从而抵抗分解。」

研究论文共同作者、科大电子及计算机工程学系助理教授林彦宏教授补充说：「我们利用原位高光谱成像技术进行分析。 该专用仪器获科大副校长（研究及发展）办公室辖下的设备基金计划资助，让我们能够在开路、最大功率点及短路等不同作条件下，逐像素地绘制电荷萃取效率的空间分布。 在加速老化测试中，采用'分子魔术贴'界面的器件，其光致发光分布与光谱几乎不变，显示该接口具有高度稳定性，而钙钛矿层的化学组成亦能长时间维持完整。」

研究的关键突破在于能够更精细调控吡啶基中氮原子的碱性。 团队亦发现，在低维钙钛矿薄膜结构中，三维连通的晶体网络会被脒基配体分子打断，改变金属卤化物八面体排列成一维链状或二维片层状。 透过调节脒基配体的碱性和分子构象，成功将表面钙钛矿从链状的一维堆叠，转换为氢键连结的片状二维网络，形成更连贯、更均匀的保护层。

在倒置结构钙钛矿器件中，这种三维/二维接口工程策略实现了约1.1 cm²器件25.4%的经认证稳态光电转换效率，以及6.8 cm²小型组件24.2%的效率。

为了评估器件的寿命，团队采用了ISOS（International Summit on Organic Photovoltaic Stability）测试标准，这是评估钙钛矿太阳能电池寿命的国际通用标准。 在ISOS-L-2测试中，封装电池在摄氏85度和相当于一倍太阳光强度（接近正午强烈阳光）下持连续运行1,100小时后，仍能维持初始效率逾95%的性能，充分展现出新设计的卓越耐久性。

林教授表示：「据我们所知，这是在同业评议出版物中报道的、针对活性面积约为 1 cm² 的钙钛矿太阳能电池的最高认证稳态效率。」

上述成果已在《科学》期刊发表，论文题为「多价配体调控倒置钙钛矿太阳能组件的维度工程」。

是项研究由科大与多所大学联合进行，包括阿卜杜拉国王科技大学、香港中文大学（深圳）、陕西师范大学、高丽大学、新加坡国立大学、雅典国立技术大学及曼彻斯特大学。参与本研究的科大学者还包括林彦宏教授课题组，以及显示与光电子全国重点实验室高级经理杨思恩博士。