浸大通訊

推動太陽能發展

2022年10月31日

近年來，全球能源價格持續飆升，加上世界各地錄得破紀錄的高溫，人類迫切需要發展更潔淨的可再生能源，減少依賴使用化石燃料。

太陽能電池或光伏技術一直被視為能源危機的最佳解決方案之一，不過傳統多晶矽太陽能電池的實際效率多在20%以內，且製備成本較高。近年出現一種利用鈣鈦礦半導體來吸光的太陽能電池，能夠將光電轉換效率推至26%，並可採用便宜的印刷方法生產出來，因此引起科學界關注。由於該技術有望帶來高效率、低成本的應用，因而吸引不少業界的研發和投資。儘管如此，實現鈣鈦礦太陽能電池器件的全面商業化依然存在一些挑戰，比如穩定性仍欠完善。

浸大物理系助理教授周圓圓博士與來自英國牛津大學、德國斯圖加特大學以及香港城市大學的學者合作，在國際能源學權威雜誌《自然•能源》發表綜述論文，瞄準鈣鈦礦微觀結構這一重要的電池性能影響因素，深入探討了當前鈣鈦礦材料基礎研究的前沿發展方向。論文題為「Advances and challenges in understanding the microscopic structure–property–performance relationship in perovskite solar cells」，為鈣鈦礦研究和技術產業化提供了新的思路。

解構鈣鈦礦半導體的問題與挑戰

周博士說：「我們應《自然•能源》的邀請，就鈣鈦礦太陽能電池的進展與挑戰進行深度解析。鈣鈦礦是一種極具發展潛力的半導體材料，它成本低、效率高，生產過程相對傳統太陽能電池更簡易，甚至可以列印出來，同時具有非常好的光電性質，適用於開發新型太陽能電池應用，但同時鈣鈦礦太陽能電池亦存在一些跟材料結構有關的基本問題。」

周博士和合作者將鈣鈦礦半導體薄膜微結構按照形貌特徵分為晶界、晶內缺陷以及可與傳輸層材料形成介面的表面三類，闡述了各種微結構特徵對於鈣鈦礦半導體光電性質的不利、中性或良性影響；同時也深入分析了微結構對鈣鈦礦半導體降解機制的影響，凝煉出增強各類關鍵鈣鈦礦半導體穩定性的策略。

這篇前瞻性綜述文章填補人們對鈣鈦礦太陽能電池在基礎科學認知上的空白，有望對太陽能領域的技術進步帶來深刻的影響。

周博士說：「當前鈣鈦礦太陽能電池有一個重要的不足之處，是它尚不如矽基電池那樣耐用，需要通過基礎科學理解的提升實現技術瓶頸的突破。未來如投入市場，鈣鈦礦材料的內部微結構將對電池器件的最終性能表現起關鍵作用，因此我們已經投入很多精力嘗試解析和調控鈣鈦礦的微結構。在文章裡，我們以一個原創的思路探討了鈣鈦礦微結構，對其相關科學進行系統的歸納總結。這有助我們找出每個微結構範圍有哪些重要特徵需要作出更多研究，並凝練出前瞻性研究方向。」

材料世界

周博士是一位專注於材料科學的學者，他希望運用其專業知識，透過跨學科研究為潔淨能源發展帶來影響。他在中國內地西安交通大學取得材料科學與工程學士學位，及後於美國布朗大學獲得工程博士學位。他最近獲頒發國家優秀青年科學基金（港澳），獲得200萬元人民幣資助，圍繞新型鈣鈦礦半導體材料，探索材料科學前沿，研發新一代光電能源科技。預期該項目成果不僅有助於促進材料學與半導體物理、化學等學科的交叉融合，而且對香港和國家實現碳中和目標將提供關鍵技術支持。他說：「鈣鈦礦半導體材料是一個發展迅速的領域，但很多相關的科學問題尚未有清晰的答案。我們藉着提供一些新觀點，幫助研究人員進一步開發和改進鈣鈦礦技術，以利日後推出市場。」

欲了解更多周博士的研究項目，請瀏覽：https://www.alvinyzhou.com/