科大创新真空沉积技术　推动钙钛矿太阳能电池走向规模化生产

香港科技大学（科大）团队近日在钙钛矿太阳能电池制备上取得突破，研发出一套多源共蒸发沉积配方，可显著提升真空沉积钙钛矿薄膜的晶体质量。这项突破使全真空单结钙钛矿电池，以及钙钛矿-硅迭层太阳能电池，更接近可规模化生产。这项突破性研究成果已发表于《自然 – 材料》期刊，论文题为「晶面导向的全真空沉积钙钛矿太阳能电池」。
 

近年来，钙钛矿太阳能电池效率迅速提升，因其具备提供低成本可再生电力的潜力而备受关注。目前效率最高的钙钛矿器件多数以溶液「墨水」方式制备；然而，许多工业薄膜产品（从 OLED 显示器到光学镀膜）则采用真空沉积，一种干净、无溶剂，并能在大面积上实现高度均匀的镀膜制程。惟当钙钛矿完全以真空沉积制备时，其晶体往往会以不理想的方式形成，容易在薄膜中形成缺陷，进而影响器件的稳定性。
 

本研究由科大电子及计算器工程学系、显示与光电子全国重点实验室助理教授林彦宏教授领导的研究团队，与英国牛津大学物理系亨利・斯奈思教授的团队合作完成。研究的第一作者、科大电子及计算器工程学系博士后研究员沈鑫毅博士及其团队成员发现，在热共蒸发过程中引入氯化铅作为「共源」，能有效引导钙钛矿晶体的生长方式。该方法促成高度有序的1.67eV宽带隙钙钛矿，并使大量晶粒呈现（100）晶面「朝上」取向，显示薄膜具备更高结晶度，也能抵御光照与热应力所引起的退化，从而带来更佳的光电特性，以及更强的抗光照与耐热退化能力。
 

利用这套新开发的沉积配方，团队成功实现了全真空沉积宽带隙钙钛矿太阳能电池的首个经认证性能：在0.25平方厘米器件上，经最大功率点测得功率转换效率达到18.35%。在实验室测试中，器件效率最高可达19.3%，并在更具挑战性的1平方厘米电池尺寸上取得18.5%的效率。
 

为评估耐久性，研究团队依循国际有机光伏稳定性峰会（International Summit on Organic Photovoltaic Stability, ISOS）的测试标准。在严苛的ISOS-L-2加速老化条件下，于全光谱、等效一个太阳光强度照明（未加紫外滤光片），并在空气环境下以 75 ± 5°C，并在开路条件下运行，经封装的电池在1,080小时后仍保留其峰值性能的80%。
 

沈博士解释道：「我们的工作针对长期限制真空沉积钙钛矿发展的核心材料科学问题。透过在蒸发过程中精准控制晶体取向，我们得以将器件的耐热与耐光稳定性延长到可与最先进的溶液制程器件相媲美，同时保留干式、与产业兼容的真空技术所具备的天然优势。」
 

为了观察器件在运作时的内部变化，研究团队采用原位高光谱成像技术。这种技术可视作先进的「光谱相机」，能以像素为单位，逐点绘制运作中太阳能电池的光学讯号分布。此关键仪器由科大副校长（研究及发展）办公室辖下的设备基金计划资助。林教授表示：「透过原位高光谱成像，我们以前所未有的时空分辨率洞察器件物理，并揭示延长器件寿命的关键因素。我们在微观尺度上可视化并区分了卤化物偏析与陷阱介导复合等过程，并将这些特征直接链接到宏观器件表现。」这套分析亦能区分有益的辐射复合与有害的非理想复合途径，为后续优化提供强而有力的诊断工具。
 

高质量的真空沉积钙钛矿层对迭层太阳能电池尤为关键：将钙钛矿顶电池堆栈于硅底电池之上，可更充分利用太阳光谱，进一步提升整体转换效率。利用改良后的薄膜，团队在具微米尺度纹理的工业标准硅异质结电池上实现共形覆盖，并在 1 平方厘米面积上制作出效率达27.2%的钙钛矿-硅迭层太阳能电池。在意大利进行的户外试验中，其全真空沉积迭层电池在真实环境运行八个月后仍维持约80%的初始性能，显示钙钛矿-硅迭层更进一步朝向长期稳定运行。
 

林教授强调：「这种共蒸发方法可直接对接既有的工业薄膜沉积基础设施。它让真空沉积不再是权宜之计，而成为生产高性能、长寿命钙钛矿太阳能电池与迭层电池的有力方案，并为技术从实验室走向量产提供清晰路径。」

本研究由科大团队与多个国际伙伴合作完成，包括牛津大学、牛津先进功能材料国家薄膜设施、欧洲研究院（Eurac Research），以及格勒诺布尔－阿尔卑斯大学与法国原子能和替代能源委员会（CEA）。科大方面，由电子及计算器工程学系、显示与光电子全国重点实验室林彦宏教授研究团队带领，研究工作由博士后研究员沈鑫毅博士领衔推动，显示与光电子全国重点实验室高级经理杨思恩博士亦参与其中。