科大以分子界面工程提升太阳能电池效能及耐用性
推动钙钛矿光伏技术产业化
太阳能电池的效能与寿命往往取决于材料之间的微小界面。香港科技大学（科大）研究人员近日参与两项研究，发现透过精准设计的分子界面层，可显著提升新一代钙钛矿迭层太阳能电池的效能及耐用性。
两项研究分别刊登于学术期刊《Joule》（影响因子为37.1）及《自然—通讯》，虽然针对不同迭层架构，却带出同一个核心讯息：分子界面并非单纯连接不同材料的被动层，而是可主动引导钙钛矿薄膜结晶、减少能量损失、促进电荷传输，并保护器件免受退化影响的重要设计平台。
这两项研究由科大电子及计算机工程学系助理教授林彦宏教授及科大显示与光电子全国重点实验室高级经理杨思恩博士共同带领，充分结合科大在钙钛矿界面设计、光学表征及迭层器件物理方面的科研优势。其中，科大电子及计算机工程学系研究助理教授李凤珠博士领导《Joule》论文的研究工作；科大电子及计算机工程学系博士研究生张青清女士则为《自然—通讯》论文的主要研究团队成员之一。
林教授表示：「钙钛矿迭层太阳能电池发展到现阶段，每一个界面都至关重要。这两项研究展示了一个共同原理：分子界面可被设计成主动调控平台，用以优化结晶、减少能量损失及促进电荷传输，并在不同迭层架构中提升长期稳定性。」
刊登于《Joule》的研究题为 《Interface-mediated crystallization enables PEDOT:PSS-free all-perovskite tandems with 29.1% efficiency and enhanced durability》，李博士为该论文的共同第一作者及通讯作者之一，研究聚焦两端子单片式全钙钛矿迭层太阳能电池。此类电池透过在同一结构中迭加两种具互补能隙的钙钛矿吸收层，有望突破传统单结太阳能电池的效能上限，同时兼顾轻量化及潜在低成本制造潜力。
然而，其发展仍面对关键挑战，其中一项来自窄带隙锡—铅钙钛矿子电池的埋藏界面。现时不少高性能器件使用PEDOT:PSS作为空穴传输材料，惟该聚合物容易吸湿，并会与钙钛矿前驱体产生不良互动，在结晶过程中引发相分离，从而削弱器件效率与稳定性。
研究团队透过原位表征发现PEDOT:PSS会在混合锡—铅钙钛矿薄膜形成过程中诱导不稳定的结晶路径。为解决此问题，团队以含吩噻嗪官能团的自组装单分子层4PAPT取代PEDOT:PSS，促进直接相转变、改善晶体取向，并减少非辐射复合损失。
此分子界面策略使窄带隙单结钙钛矿太阳能电池的效率提升至23.2%。研究团队进一步将该策略应用于单片式全钙钛矿迭层太阳能电池，并开发混合自组装单分子层互连界面，在SnO₂/Au表面结合硫醇及膦酸锚定基团，形成致密分子互连层，在避免PEDOT:PSS不稳定性的同时，维持高效电荷传输。
最终，不含PEDOT:PSS的全钙钛矿迭层太阳能电池录得29.1%的报导光电转换效率，为目前已报导不含PEDOT:PSS全钙钛矿迭层架构中的最高效率。经封装的器件在约摄氏40度、模拟一倍太阳光及最大功率点追踪条件下持续运作逾800小时后，仍可维持90%的初始效率。
李博士表示：「PEDOT:PSS的不稳定性不只是材料本身的问题，亦会影响钙钛矿薄膜在埋藏界面的形成过程。透过以分子设计的自组装单分子层取代这一聚合物界面，我们能够从结晶初期开始调控界面，并将这一优势延伸至高效率迭层器件。」
另一项发表于《自然—通讯》的研究题为 《Self-assembled 1D/3D heterojunction enables all-inorganic perovskite 4-terminal tandem solar cells with 21.54% certified efficiency》，聚焦于另一条具互补性的技术路线，即四端子全无机钙钛矿迭层太阳能电池。全无机钙钛矿因具备较佳耐热及耐光照潜力而备受关注，但其表面仍容易受水分侵入而退化，并受缺陷导致的能量损失所限制。
为应对上述挑战，研究团队使用四丁基铵三氟甲磺酸盐（TTFS）作为界面工程分子，透过原位自组装方式，在全无机钙钛矿吸收层表面形成一维／三维（1D/3D）钙钛矿异质结。该分子具备双重功能：其阳离子部分形成疏水屏障，有助阻隔水分；阴离子部分则可钝化表面缺陷，并促进电子有效萃取。
凭借此策略，研究团队制备的半透明宽带隙全无机钙钛矿顶电池取得17.10%的认证光电转换效率。当其与窄带隙全无机钙钛矿底电池组成四端子迭层器件后，整体认证效率提升至21.54%，为该类迭层太阳能电池已报导的最高认证效率。器件亦展现良好运行稳定性：在连续一倍太阳光及最大功率点追踪条件下，于摄氏65度运作1,210小时后仍维持初始效率的80%；在摄氏85度下运作650小时后亦能维持初始效率的80%。
张青清女士与杨博士共同为该研究提供光致发光映射、光致发光量子产率映射，以及准费米能级分裂映像等表征技术指导。这些光学映像技术有助研究团队观察工程化界面如何降低能量损失，并改善钙钛矿薄膜中的载流子动力学。
杨博士提到：「在这两项研究中，我们共同关注的是界面在器件效率损失出现之前究竟发生了甚么。透过光学及光电表征，我们能够将分子设计与电荷如何传输、如何复合，以及最终如何影响太阳能电池效能连系起来。」
张青清女士指出：「透过空间光学映像，我们能够观察工程化1D/3D界面如何降低薄膜中的能量损失。这为分子界面设计同时提升全无机钙钛矿太阳能电池效率与稳定性提供了重要证据。」
综合而言，两项研究展示了分子界面工程如何进一步提升钙钛矿迭层光伏技术迈向高效能与长寿命。《Joule》研究透过移除不稳定聚合物界面并调控埋藏界面结晶，推动两端子单片式全钙钛矿迭层路线；《自然—通讯》研究则透过构建兼具保护及电荷选择功能的异质结，推进四端子全无机迭层路线。两者共同指出，经分子设计的界面是推动钙钛矿太阳能电池迈向长期实际应用的关键。
《Joule》研究由科大联同香港城市大学、南方科技大学、英国牛津大学等多支研究团队完成；《自然—通讯》研究则由科大与北京大学深圳研究生院、鲁东大学、深圳职业技术大学等机构合作完成。
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