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2016年11月21日

中大优化合成路径 大幅度提高钙钛矿物料稳定性突破性成果推动钙钛矿太阳能电池普及化

2016年11月21日
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(左起)中大电子工程学系研究团队 - 严克友教授、许建斌教授、博士研究生张天恺及龙明珠。

「非化学计量比的酸碱反应」(NABR)合成方法之图解。

MAPbI3钙钛矿太阳能电池的材料结构。

由NABR合成的MAPbI3钙钛矿材料,材料稳定性大幅度提高。该材料在空气湿度65%的环境下,能够保持稳定两个月,而传统方法制造的钙钛矿薄膜只能保持约一星期。

钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cell,PSC)是国际前沿研究课题,于2013年更被《科学》期刊(Science)纳入该年《十大科学突破》之列。这种太阳能电池主要由一类相当不稳定的钙钛矿所制成,阻碍了它的商业化。香港中文大学(中大)电子工程学系教授许建斌教授、研究助理教授严克友教授及其科研团队,成功优化有机无机杂合钙钛矿的合成路径,研发出名为「非化学计量比的酸碱反应」(NABR)之合成方法,有效提高了MAPbI3钙钛矿的稳定性。这项突破性的成果近日在最新一期的国际知名学术期刊《自然通讯》(Nature Communications发表。 

现时,全球太阳能电池市场以矽晶型电池为主。矽晶型太阳能电池的开发工作虽已开展了数十年,但其光电转换效率(PCE)仍长期徘徊于25% 的水平;而且,此类电池在高温熔炼的生产过程中,会排放废气及有毒物质,对环境造成污染。相比之下,钙钛矿太阳能电池自2009年首次成功开发后,于7年间,其光电转换效率已升至22.1 %。此外,钙钛矿太阳能电池只需简单的溶液加工即可制成,减少对环境的破坏。而且,钙钛矿这种物料可更轻易制造出具柔韧性、可卷曲的超薄太阳能板;而钙钛矿太阳能电池的价格亦较矽晶型太阳能电池更具竞争力,因此发展潜力很大。 

然而,钙钛矿太阳能电池一直未能普及化,是因为该类物料相当不稳定。于2013年由国际学术团队所进行的稳定性测试中,钙钛矿太阳能电池经过200及500小时的使用后,其效能大幅下跌了约20至50%。因此,钙钛矿太阳能电池的长期稳定性必须大幅提升,才能获广泛应用。 

中大钙钛矿太阳能电池研究团队许建斌教授,严克友教授,及其博士研究生龙明珠、张天恺等系统化地研究了钙钛矿的形成、降解和恢复原理,并在此基础上提出了NABR。钙钛矿薄膜是离子晶体,在高空气湿度的环境下,稳定性往往会大幅下降。以传统方法制造的钙钛矿薄膜,在空气湿度65%的环境下,其稳定性只能保持约一星期,而由中大研究团队用NABR所制成的钙钛矿薄膜,则在空气湿度65%的环境下,能够保持稳定两个月。这项研究结果,有望研发出高效率、低成本、高稳定的钙钛矿太阳能电池;团队成员并希望未来此技术能应用于另一类钙钛矿太阳能电池。 

许建斌教授表示:「钙钛矿太阳能电池自2009年开始被研发以来,它的稳定性是各方高度关注的课题。在此次研究中,我们大幅度提高了钙钛矿材料的稳定性。我们有理由相信,通过成分及机理研究,结合简单的封装技术,钙钛矿太阳能电池的稳定性将得以有效提升。」 

严克友教授补充:「此次研究侧重反应机理分析,提出的方法具普适性。所以,团队现使用此方法合成其他类型的钙钛矿,进一步提高这类物料的效率和稳定性。我们希望利用3-5年的时间,大幅度提高钙钛矿太阳能电池的稳定性,使之达到商业化的要求。」 

此次研究,化学系伟伦研究讲座教授麦松威教授和研究助理吴振辉博士协助了反应过程中之中间化合物的结构确定工作。是次在《自然通讯》发表之论文,是香港第二篇有关钙钛矿方面的文章在Nature Publishing Group (NPG)系列期刊发表。   

关于「智能化太阳能技术︰采集、存储和应用」研究计划

是项研究是由中大工程学院院长汪正平教授领导的五年研究计划「智能化太阳能技术︰采集、存储和应用」的一部份。研究团队自2014年起获香港政府研究资助局主题研究计划资助6,033万港元,另由中大及其他合作院校分别提供1,380万港元及300万港元。该项研究由30多位来自中大、香港理工大学、香港科技大学及香港大学学者共同合作,以提升太阳能发电的效能,让有关技术更加普及。 

关于许建斌教授

许教授为纳米技术和电子材料领域的资深专家,已发表的技术论文超过350篇。他积极参加各种专业活动,并曾担任多个重要国际电子材料会议的主席。他是香港工程师学会(HKIE)会员,美国电机及电子工程师学会(IEEE)高级会员、香港材料研究学会秘书长和理事等。许教授现时是中大材料科学技术研究中心主任。他也是国家教育部长江学者讲座教授。

关于严克友教授

严教授具有材料物理化学跨学科背景,是材料化学领域的青年专家,他已发表了超过50篇期刊论文,其中多篇在国际化学顶级期刊如Journal of the American Chemistry Society (JACS)、纳米权威期刊如ACS Nano,能源环境期刊如Energy & Environmental Science发表,文章被个人引用多达2,000余次,其中2015年发表的两篇关于钙钛矿太阳能电池的文章被Web of Science选为高引用论文。严教授为美国化学学会(ACS)会员,并担任JACSNature Communications等权威期刊的审稿人。 



(左起)中大电子工程学系研究团队 - 严克友教授、许建斌教授、博士研究生张天恺及龙明珠。

(左起)中大电子工程学系研究团队 - 严克友教授、许建斌教授、博士研究生张天恺及龙明珠。

 

「非化学计量比的酸碱反应」(NABR)合成方法之图解。

「非化学计量比的酸碱反应」(NABR)合成方法之图解。

 

MAPbI3钙钛矿太阳能电池的材料结构。

MAPbI3钙钛矿太阳能电池的材料结构。

 

由NABR合成的MAPbI3钙钛矿材料,材料稳定性大幅度提高。该材料在空气湿度65%的环境下,能够保持稳定两个月,而传统方法制造的钙钛矿薄膜只能保持约一星期。

由NABR合成的MAPbI3钙钛矿材料,材料稳定性大幅度提高。该材料在空气湿度65%的环境下,能够保持稳定两个月,而传统方法制造的钙钛矿薄膜只能保持约一星期。

 

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