二十一世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟增長所引發(fā)的能源消耗達(dá)到了空前的程度，再加上環(huán)境污染日益嚴(yán)重，世界各國的科研人員都致力于開發(fā)新的綠色能源和可再生資源，以保證能源正常供應(yīng)又能減低對環(huán)境的破壞。如今，硅基太陽能電池雖已發(fā)展了50年，應(yīng)用也日趨廣泛，但生產(chǎn)卻因為原材料昂貴而走到了瓶頸期。所幸期間也涌現(xiàn)出不少新技術(shù)，包括有機-無機復(fù)合的鈣鈦礦太陽能電池(organic–inorganic hybrid perovskite solar cells)與全無機鈣鈦礦太陽能電池(all-inorganic perovskite solar cells)。當(dāng)中，雖然有機-無機復(fù)合鈣鈦礦電池在光電轉(zhuǎn)換效率上更勝一籌，但當(dāng)溫度達(dá)攝氏85度時，它的有機部分就會分解。相反，全無機鈣鈦礦雖然光電轉(zhuǎn)換效率較差，卻在高溫下有較佳的熱穩(wěn)定性(thermal stability)，甚至可適用于沙漠這樣較為極端的環(huán)境。
因此，香港城市大學(xué)的研究團隊近年來一直在積極探研提高全無機鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率的方法。全無機鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率不高的主因，是制備鈣鈦礦時涉及快速結(jié)晶的過程，表面或晶界有時會出現(xiàn)一些缺陷，而這些缺陷會令電荷無法自由流動，窒礙電流形成，造成開路電壓(open-circuit voltage)嚴(yán)重流失。于是他們在制備鈣鈦礦的過程中，添加了特制的小分子6T1C-4F，以減少表面或晶界的缺陷。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開路電壓從1.10V顯著提高到1.16V，且填充因子(Fill Factor, 即電子有否被有效收集)及短路電流(Short circuit current)在添加6T1C-4F作鈍化后都有所改善。研究結(jié)果還顯示，在連續(xù)照射350小時后，電池的能量轉(zhuǎn)化效率只下降了約15%。這說明添加6T1C-4F以鈍化鈣鈦礦的表面，不僅能保護(hù)鈣鈦礦的表面免受濕氣、氧氣和光線的侵蝕，而且結(jié)晶的顆粒增大了，能有效減少晶界缺陷及電流流失，使得全無機鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性均能有所提高。
據(jù)悉，香港城大上述新研發(fā)的全無機鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率為16.1%，而獲中國計量科學(xué)研究院認(rèn)證的效率亦高達(dá)15.6%。
這次研究由香港城大學(xué)務(wù)副校長兼化學(xué)及材料科學(xué)講座教授任廣禹教授領(lǐng)導(dǎo)，他在在鈣鈦礦研究領(lǐng)域領(lǐng)先，其相關(guān)論文廣被引用。他指出，這次研究成果的突破在于找出了簡單方法，便可制成光電轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性兼具的全無機鈣鈦礦電池。他相信, 全無機鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率還有進(jìn)一步提升的潛力。
他又指出，他們這款全無機鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計是“倒裝式”，適合制成疊層式太陽能電池(tandem solar cells)。疊層式太陽能電池的的特色是，能同時吸收不同光譜的太陽光，因此科研界預(yù)料，其光電能量轉(zhuǎn)換率未來可超過30%。
任教授還表示，科研人員對鈣鈦礦電池展開研究雖然只有約十年時間，但鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已由最初的3.8%急增至超過25%，直逼我們現(xiàn)時常用的硅基太陽能電池。加上鈣鈦礦以溶液制成，不僅制作簡單易大量生產(chǎn)，制造所需的能源更只是硅基太陽能電池所需的十分之一，應(yīng)用潛力極大。倘若商業(yè)化，必定對解決現(xiàn)時的能源危機大有裨益。
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