理大研究揭示鈣鈦礦太陽能電池隱藏老化成因 新策略顯著延長電池壽命

香港理工大學（理大）研究團隊找出導致鈣鈦礦太陽能電池在光照下老化的一個隱藏成因，並提出解決方法，有效延長電池壽命，為推動這項技術走向商業應用帶來重要進展。研究由理大電機及電子工程學系助理教授楊光教授與浙江大學團隊合作進行。相關研究已發表於國際期刊《瓦特》(Watt)。鈣鈦礦光伏領域先驅、韓國成均館大學朴南圭教授亦於同一期刊撰寫研究亮點專文，肯定這項研究。

鈣鈦礦太陽能電池效率高、成本低、輕巧，而且應用靈活，被視為最具潛力的新一代太陽能技術之一。不過，這類電池在陽光長時間照射下，性能會逐漸衰退，這種現象稱為「光降解」。太陽能板需要在戶外長期穩定運作，因此光降解一直是鈣鈦礦電池邁向大規模商業化的主要障礙。

鈣鈦礦太陽能電池的發電層由無數微小晶粒構成，每顆晶粒的表面朝向不同，這些朝向稱為晶面。在混合晶面鈣鈦礦太陽能電池中，不同晶面的晶粒同時存在，特性也各有不同，會影響電荷傳輸、缺陷形成以及光照下的老化過程。晶粒與晶粒之間的交界，則稱為晶界。

電池吸收陽光後，會產生帶負電的電子和帶正電的空穴。理想情況下，兩者會被收集起來形成電流；但如果它們在晶界遇上材料缺陷，便可能被困住並互相抵消，不但浪費太陽能，還會逐漸損害電池。

研究團隊發現，在混合晶面結構中，當兩種常見晶面（100）和（111）的晶粒相鄰時，晶界兩側的電荷損失並不平均。（111）晶粒一側的晶界存在較多缺陷，主要是材料中本應存在的甲脒（FA）離子缺失後留下的空位，令正電荷異常積聚。

（111）晶面本身原本較能抵抗光照老化，但這種不平衡的電荷積聚，反而加速了光降解，成為電池老化的源頭。換言之，電池壽命不只取決於每顆晶粒本身是否穩定，還取決於相鄰晶粒之間如何相互影響。

為了解決上述問題，研究團隊在材料中加入名為3-氟苯乙基溴化銨（m-F-PEABr）的添加劑。這種分子體積較大，無法進入晶粒內部，因此會自然聚集在晶界。分子帶正電的一端可填補（111）晶界上缺失離子留下的空位，含氟的部分則幫助分子緊固在晶界。經修補後，晶界兩側的電荷損失回復平衡，避免個別位置成為老化的集中點。

經這種針對性策略處理的電池，光電轉換效率達26.55%。在相當於一個太陽強度的連續光照下運作超過2,200小時後，電池仍保持初始效率的90%以上。這項指標稱為「T90運行壽命」，是評估太陽能電池長期穩定性的重要指標。

楊教授表示：「鈣鈦礦太陽能電池的效率已經相當高，但穩定性仍是商業化的最大瓶頸。過去的研究大多集中於減少缺陷的數量，而我們首次證明，相鄰晶粒之間電荷損失不平衡，是電池在運作中老化的關鍵成因之一。只要平衡晶粒之間的電荷損失，就能同時提升電池的效率和穩定性。這為理解電池老化提供了新角度，也為開發更耐用、可商業化的鈣鈦礦太陽能電池開闢了新方向。」

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