香港科技大學(xué)（科大）工程學(xué)院的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了單個晶粒的表面凹面，而這些凹面是構(gòu)成過氧化物薄膜的基本要素。他們揭示了這些凹面對薄膜性能和可靠性的重大影響。在這一基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，該團隊開創(chuàng)了一種新方法，通過化學(xué)消除這些晶粒表面凹面，使包晶石太陽能電池更高效、更穩(wěn)定。

鈣鈦礦太陽能電池是一種新興的太陽能電池技術(shù)，在電網(wǎng)供電、便攜式電源和空間光伏等廣泛應(yīng)用場景中，已顯示出取代現(xiàn)有硅太陽能電池的潛力。與商用硅電池相比，它們不僅能獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），而且還具有材料成本低、可持續(xù)生產(chǎn)、透明度和顏色多樣性高等優(yōu)勢。然而，在光、濕度和熱機械條件下，過氧化物晶體器件的長期穩(wěn)定性仍然是這一前景廣闊的太陽能技術(shù)商業(yè)化的障礙。

針對這一問題，香港科技大學(xué)化學(xué)與生物工程系副教授周媛媛及其研究小組從材料微觀結(jié)構(gòu)的獨特視角開展了基礎(chǔ)性研究。他們發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦材料的結(jié)晶晶粒上有大量的表面凹面。研究表明，這些凹面打破了鈣鈦礦薄膜界面的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，成為限制鈣鈦礦電池效率和穩(wěn)定性的隱性微結(jié)構(gòu)因素。



周媛媛教授展示過氧化物太陽能電池。來源：香港科技大學(xué)

隨后，研究小組采取了一項創(chuàng)新措施，通過使用一種表面活性劑分子--十三氟己烷-1-磺酸鉀--來消除晶粒表面凹陷，從而在形成過氧化物薄膜的過程中操縱應(yīng)變演化和離子擴散。因此，在標準化的熱循環(huán)、濕熱和最大功率點跟蹤測試中，他們的最終包晶電池在效率保持方面有了明顯改善。

"單個晶粒的結(jié)構(gòu)和幾何形狀是包晶半導(dǎo)體和太陽能電池性能的源泉。通過揭示晶粒表面凹面，了解它們的影響，并利用化學(xué)工程來定制它們的幾何形狀，我們正在開創(chuàng)一種新的方法來制造效率和穩(wěn)定性都達到極限的鈣鈦礦太陽能電池，"這項工作的通訊作者周教授說。

他補充說："當我們使用原子力顯微鏡研究包晶薄膜的結(jié)構(gòu)細節(jié)時，我們對包晶晶粒的表面凹面非常感興趣。這些凹面通常埋藏在薄膜底部，很容易被忽視。微觀結(jié)構(gòu)對于包晶體太陽能電池和其他光電器件至關(guān)重要，由于包晶體材料的有機-無機混合特性，其微觀結(jié)構(gòu)可能比傳統(tǒng)材料更為復(fù)雜。在周教授的指導(dǎo)下，我們能夠開發(fā)出各種新穎的表征和數(shù)據(jù)科學(xué)方法，以深入了解包晶石的微觀結(jié)構(gòu)。"

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