新聞中心

2016年11月21日

中大優化合成路徑 大幅度提高鈣鈦礦物料穩定性突破性成果推動鈣鈦礦太陽能電池普及化

2016年11月21日
分享
列印

(左起)中大電子工程學系研究團隊 - 嚴克友教授、許建斌教授、博士研究生張天愷及龍明珠。

「非化學計量比的酸鹼反應」(NABR)合成方法之圖解。

MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的材料結構。

由NABR合成的MAPbI3鈣鈦礦材料,材料穩定性大幅度提高。該材料在空氣濕度65%的環境下,能夠保持穩定兩個月,而傳統方法製造的鈣鈦礦薄膜只能保持約一星期。

鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cell,PSC)是國際前沿研究課題,於2013年更被《科學》期刊(Science)納入該年《十大科學突破》之列。這種太陽能電池主要由一類相當不穩定的鈣鈦礦所製成,阻礙了它的商業化。香港中文大學(中大)電子工程學系教授許建斌教授、研究助理教授嚴克友教授及其科研團隊,成功優化有機無機雜合鈣鈦礦的合成路徑,研發出名為「非化學計量比的酸鹼反應」(NABR)之合成方法,有效提高了MAPbI3鈣鈦礦的穩定性。這項突破性的成果近日在最新一期的國際知名學術期刊《自然通訊》(Nature Communications發表。 

現時,全球太陽能電池市場以矽晶型電池為主。矽晶型太陽能電池的開發工作雖已開展了數十年,但其光電轉換效率(PCE)仍長期徘徊於25% 的水平;而且,此類電池在高溫熔煉的生產過程中,會排放廢氣及有毒物質,對環境造成污染。相比之下,鈣鈦礦太陽能電池自2009年首次成功開發後,於7年間,其光電轉換效率已升至22.1 %。此外,鈣鈦礦太陽能電池只需簡單的溶液加工即可製成,減少對環境的破壞。而且,鈣鈦礦這種物料可更輕易製造出具柔韌性、可捲曲的超薄太陽能板;而鈣鈦礦太陽能電池的價格亦較矽晶型太陽能電池更具競爭力,因此發展潛力很大。 

然而,鈣鈦礦太陽能電池一直未能普及化,是因為該類物料相當不穩定。於2013年由國際學術團隊所進行的穩定性測試中,鈣鈦礦太陽能電池經過200及500小時的使用後,其效能大幅下跌了約20至50%。因此,鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性必須大幅提升,才能獲廣泛應用。 

中大鈣鈦礦太陽能電池研究團隊許建斌教授,嚴克友教授,及其博士研究生龍明珠、張天愷等系統化地研究了鈣鈦礦的形成、降解和恢復原理,並在此基礎上提出了NABR。鈣鈦礦薄膜是離子晶體,在高空氣濕度的環境下,穩定性往往會大幅下降。以傳統方法製造的鈣鈦礦薄膜,在空氣濕度65%的環境下,其穩定性只能保持約一星期,而由中大研究團隊用NABR所製成的鈣鈦礦薄膜,則在空氣濕度65%的環境下,能夠保持穩定兩個月。這項研究結果,有望研發出高效率、低成本、高穩定的鈣鈦礦太陽能電池;團隊成員並希望未來此技術能應用於另一類鈣鈦礦太陽能電池。 

許建斌教授表示:「鈣鈦礦太陽能電池自2009年開始被研發以來,它的穩定性是各方高度關注的課題。在此次研究中,我們大幅度提高了鈣鈦礦材料的穩定性。我們有理由相信,通過成分及機理研究,結合簡單的封裝技術,鈣鈦礦太陽能電池的穩定性將得以有效提升。」 

嚴克友教授補充:「此次研究側重反應機理分析,提出的方法具普適性。所以,團隊現使用此方法合成其他類型的鈣鈦礦,進一步提高這類物料的效率和穩定性。我們希望利用3-5年的時間,大幅度提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性,使之達到商業化的要求。」 

此次研究,化學系偉倫研究講座教授麥松威教授和研究助理吳振輝博士協助了反應過程中之中間化合物的結構確定工作。是次在《自然通訊》發表之論文,是香港第二篇有關鈣鈦礦方面的文章在Nature Publishing Group (NPG)系列期刊發表。   

關於「智能化太陽能技術︰採集、存儲和應用」研究計劃

是項研究是由中大工程學院院長汪正平教授領導的五年研究計劃「智能化太陽能技術︰採集、存儲和應用」的一部份。研究團隊自2014年起獲香港政府研究資助局主題研究計劃資助6,033萬港元,另由中大及其他合作院校分別提供1,380萬港元及300萬港元。該項研究由30多位來自中大、香港理工大學、香港科技大學及香港大學學者共同合作,以提升太陽能發電的效能,讓有關技術更加普及。 

關於許建斌教授

許教授為納米技術和電子材料領域的資深專家,已發表的技術論文超過350篇。他積極參加各種專業活動,並曾擔任多個重要國際電子材料會議的主席。他是香港工程師學會(HKIE)會員,美國電機及電子工程師學會(IEEE)高級會員、香港材料研究學會秘書長和理事等。許教授現時是中大材料科學技術研究中心主任。他也是國家教育部長江學者講座教授。

關於嚴克友教授

嚴教授具有材料物理化學跨學科背景,是材料化學領域的青年專家,他已發表了超過50篇期刊論文,其中多篇在國際化學頂級期刊如Journal of the American Chemistry Society (JACS)、納米權威期刊如ACS Nano,能源環境期刊如Energy & Environmental Science發表,文章被個人引用多達2,000餘次,其中2015年發表的兩篇關於鈣鈦礦太陽能電池的文章被Web of Science選為高引用論文。嚴教授為美國化學學會(ACS)會員,並擔任JACSNature Communications等權威期刊的審稿人。 



(左起)中大電子工程學系研究團隊 - 嚴克友教授、許建斌教授、博士研究生張天愷及龍明珠。

(左起)中大電子工程學系研究團隊 - 嚴克友教授、許建斌教授、博士研究生張天愷及龍明珠。

 

「非化學計量比的酸鹼反應」(NABR)合成方法之圖解。

「非化學計量比的酸鹼反應」(NABR)合成方法之圖解。

 

MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的材料結構。

MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的材料結構。

 

由NABR合成的MAPbI3鈣鈦礦材料,材料穩定性大幅度提高。該材料在空氣濕度65%的環境下,能夠保持穩定兩個月,而傳統方法製造的鈣鈦礦薄膜只能保持約一星期。

由NABR合成的MAPbI3鈣鈦礦材料,材料穩定性大幅度提高。該材料在空氣濕度65%的環境下,能夠保持穩定兩個月,而傳統方法製造的鈣鈦礦薄膜只能保持約一星期。

 

下載所有相片