科大創新真空沉積技術　推動鈣鈦礦太陽能電池走向規模化生產

香港科技大學（科大）團隊近日在鈣鈦礦太陽能電池製備上取得突破，研發出一套多源共蒸發沉積配方，可顯著提升真空沉積鈣鈦礦薄膜的晶體品質。這項突破使全真空單結鈣鈦礦電池，以及鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池，更接近可規模化生產。這項突破性研究成果已發表於《自然 – 材料》期刊，論文題為「晶面導向的全真空沉積鈣鈦礦太陽能電池」。
 

近年來，鈣鈦礦太陽能電池效率迅速提升，因其具備提供低成本可再生電力的潛力而備受關注。目前效率最高的鈣鈦礦器件多數以溶液「墨水」方式製備；然而，許多工業薄膜產品（從 OLED 顯示器到光學鍍膜）則採用真空沉積，一種乾淨、無溶劑，並能在大面積上實現高度均勻的鍍膜製程。惟當鈣鈦礦完全以真空沉積製備時，其晶體往往會以不理想的方式形成，容易在薄膜中形成缺陷，進而影響器件的穩定性。
 

本研究由科大電子及計算機工程學系、顯示與光電子全國重點實驗室助理教授林彥宏教授領導的研究團隊，與英國牛津大學物理系亨利・斯奈思教授的團隊合作完成。研究的第一作者、科大電子及計算機工程學系博士後研究員沈鑫毅博士及其團隊成員發現，在熱共蒸發過程中引入氯化鉛作為「共源」，能有效引導鈣鈦礦晶體的生長方式。該方法促成高度有序的1.67eV寬帶隙鈣鈦礦，並使大量晶粒呈現（100）晶面「朝上」取向，顯示薄膜具備更高結晶度，也能抵禦光照與熱應力所引起的退化，從而帶來更佳的光電特性，以及更強的抗光照與耐熱退化能力。
 

利用這套新開發的沉積配方，團隊成功實現了全真空沉積寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的首個經認證性能：在0.25平方厘米器件上，經最大功率點測得功率轉換效率達到18.35%。在實驗室測試中，器件效率最高可達19.3%，並在更具挑戰性的1平方厘米電池尺寸上取得18.5%的效率。
 

為評估耐久性，研究團隊依循國際有機光伏穩定性峰會（International Summit on Organic Photovoltaic Stability, ISOS）的測試標準。在嚴苛的ISOS-L-2加速老化條件下，於全光譜、等效一個太陽光強度照明（未加紫外濾光片），並在空氣環境下以 75 ± 5°C，並在開路條件下運行，經封裝的電池在1,080小時後仍保留其峰值性能的80%。
 

沈博士解釋道：「我們的工作針對長期限制真空沉積鈣鈦礦發展的核心材料科學問題。透過在蒸發過程中精準控制晶體取向，我們得以將器件的耐熱與耐光穩定性延長到可與最先進的溶液製程器件相媲美，同時保留乾式、與產業相容的真空技術所具備的天然優勢。」
 

為了觀察器件在運作時的內部變化，研究團隊採用原位高光譜成像技術。這種技術可視作先進的「光譜相機」，能以像素為單位，逐點繪製運作中太陽能電池的光學訊號分布。此關鍵儀器由科大副校長（研究及發展）辦公室轄下的設備基金計劃資助。林教授表示：「透過原位高光譜成像，我們以前所未有的時空解析度洞察器件物理，並揭示延長器件壽命的關鍵因素。我們在微觀尺度上可視化並區分了鹵化物偏析與陷阱介導復合等過程，並將這些特徵直接連結到宏觀器件表現。」這套分析亦能區分有益的輻射復合與有害的非理想復合途徑，為後續優化提供強而有力的診斷工具。
 

高品質的真空沉積鈣鈦礦層對疊層太陽能電池尤為關鍵：將鈣鈦礦頂電池堆疊於硅底電池之上，可更充分利用太陽光譜，進一步提升整體轉換效率。利用改良後的薄膜，團隊在具微米尺度紋理的工業標準硅異質結電池上實現共形覆蓋，並在 1 平方厘米面積上製作出效率達27.2%的鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池。在意大利進行的戶外試驗中，其全真空沉積疊層電池在真實環境運行八個月後仍維持約80%的初始性能，顯示鈣鈦礦-硅疊層更進一步朝向長期穩定運行。
 

林教授強調：「這種共蒸發方法可直接對接既有的工業薄膜沉積基礎設施。它讓真空沉積不再是權宜之計，而成為生產高性能、長壽命鈣鈦礦太陽能電池與疊層電池的有力方案，並為技術從實驗室走向量產提供清晰路徑。」

本研究由科大團隊與多個國際夥伴合作完成，包括牛津大學、牛津先進功能材料國家薄膜設施、歐洲研究院（Eurac Research），以及格勒諾布爾－阿爾卑斯大學與法國原子能和替代能源委員會（CEA）。科大方面，由電子及計算機工程學系、顯示與光電子全國重點實驗室林彥宏教授研究團隊帶領，研究工作由博士後研究員沈鑫毅博士領銜推動，顯示與光電子全國重點實驗室高級經理楊思恩博士亦參與其中。