理大研发新一代高效耐用钙钛矿有机迭层太阳能电池 被遮挡仍能稳定运作 助推动薄膜太阳能技术工业应用

太阳能板被树木、云层、飞鸟或建筑物遮挡，是日常环境中极常见的情况。但对于薄膜太阳能技术而言，这些遮挡却可能造成严重问题—被遮挡的部分会出现反向偏压（负电压），轻则降低发电效率，重则有机会损坏太阳能电池的组件。香港理工大学（理大）研究团队成功研发新一代钙钛矿有机迭层太阳能电池，不但发电效率高，更能有效抵抗负电压带来的损害。研究中的迭层装置即使承受-40伏特的极端反向偏压，仍能维持90%以上的初始效率，表现远超现时所有薄膜太阳能技术，为薄膜太阳能技术走向实际应用迈出关键一步。

薄膜太阳能技术，例如碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、钙钛矿和有机太阳能电池等，具备轻巧、柔韧及低成本等独特优势。不过，这类材料有一个共通弱点：由于其「电子—离子混合导电」的特性，一旦太阳能电池被局部遮挡而产生负电压，供电性能就难以保持稳定，组件甚至有机会受损。因此，能否抵抗反向偏压，正是薄膜太阳能技术是否耐用及能否长期稳定运作的关键。

有机太阳能电池近年在效率和耐久度上都有长足进步，但科学界对它在反向偏压下的实际表现，以及电荷在体异质结（即电池内部由两种材料混合而成的发电活性层）如何传输，至今仍未完全掌握。填补这些空白的知识，正是推动薄膜太阳能技术实际应用不可或缺的一步。

理大电机及电子工程学系能源转换技术讲座教授、钟士元爵士可再生能源教授、理大智慧能源研究院副院长李刚教授及其研究团队，正是从反向偏压这个常被忽略的关键环节入手。李教授表示：「我们在提升有机太阳能电池和钙钛矿有机迭层太阳能电池于严苛反向偏压环境下的稳定性方面，取得重要进展，为理解这类太阳能技术的运作原理和耐久度作出重大贡献。」

有机太阳能电池在反向偏压下之所以受损，源于体异质结存在「深陷阱态」的缺陷。这是太阳能电池材料里的隐形陷阱，困住负责发电的电荷，令电池效率下降甚至损坏。

团队透过创新方法及策略性干预取得突破，透过抑制「供体—受体混合区」（即电池发电核心中，负责放出和接收电荷的两种材料混合的区域）内孤立的受体簇，成功减少上述缺陷，研发出高效能的有机太阳能电池，其不可逆击穿电压更超过
-35伏特。换言之，只要负电压不超过-35伏特，电池都不会被永久破坏，抗损能力大幅提升，为有机太阳能电池的效率和稳定性建立新标准。

是次研究显示，透过抑制n-i-p型无机钙钛矿—有机迭层太阳能电池的「反向隧穿」（即太阳能电池被遮挡时电流反向流动、产生负电压并损害电池的现象），有机太阳能电池成功保护钙钛矿层。即使承受-40伏特的极端反向偏压，迭层装置仍能维持90%以上的初始效率。此外，这些迭层太阳能电池非常稳定。在-20伏特下持续运作12小时后，仍保留90%初始效率；在-4.5伏特下持续运作2,000小时后，更保留高达 97% 的初始效率，表现远超现时所有薄膜太阳能技术。

这项研究题为「具优异反向偏压稳定性的钙钛矿—有机迭层太阳能电池」已刊登于《自然材料》（Nature Materials）期刊。该研究详述了体异质结有机太阳能电池中的反向电荷传输机制，并解决钙钛矿太阳能电池的反向偏压不稳定问题，为发展稳定耐用的钙钛矿有机迭层太阳能电池提供关键指引。

在此前的研究中，李教授与团队透过「底层接触调控」策略，成功将n-i-p型无机钙钛矿/有机迭层太阳能电池的能量转换效率推高至25.9%（认证效率为25.1%），在各种环境下展现更高稳定性。该研究题为「透过底层接触调控技术达致25.1%认证效率的无机钙钛矿/有机迭层太阳能电池」已于2025年刊载于《自然能源》（Nature Energy）期刊。

而在最新的研究中，n-i-p型钙钛矿有机迭层太阳能电池的能量转换效率更进一步提升至26%以上，展现出优异的反向偏压稳定性，为技术实际应用再迈进一步。理大电机及电子工程学系博士后研究员黄佳明博士及博士生韩玉先生分别是刊载于《自然材料》及《自然能源》两篇论文的第一作者。同系的研究助理教授任志伟博士为该两篇论文的共同通讯作者。

李教授补充：「可扩展的钙钛矿/有机迭层太阳能电池小型组件，在阴影环境下充分展现出极佳的反向偏压稳定性。这是一项重大突破，有助建立再生能源系统，让未来更可持续，更有效率。 」

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