科大夥美國及瑞士頂尖學府提出創新策略　重塑鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和可持續性

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊最近提出了一種生物啟發的綜合多尺度設計策略，以應對鈣鈦礦太陽能電池商業化面臨的關鍵挑戰——長期運行的穩定性。這些受自然界啟發的設計策略旨在提高太陽能技術的效率、韌性以及適應環境變化的能力。該方法側重於從生物結構中汲取靈感，旨在創造出更能抵禦環境壓力且適合長期使用的鈣鈦礦太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能電池因其低溫、基於溶液的製造工藝而具備優勢，能有效降低太陽能成本。然而，它們的商業可行性受到多種穩定性問題的制約，包括器件界面附著力不足、材料本身力學脆弱性以及對環境壓力（如熱、濕度、紫外線）的敏感性。這些降解過程發生在從皮米到厘米的不同尺度上，而多尺度結構因素對最終鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和性能有著顯著影響。

通過自然的視角重新思考太陽能電池設計

為了應對鈣鈦礦太陽能電池面臨的挑戰，科大化學及生物工程學系的副教授、能源研究院副院長周圓圓教授及其研究團隊，聯同來自美國及瑞士頂尖學府的研究夥伴，提出了借鑒生物系統的解決方案。他們認為，自然界中存在的分層功能結構，例如葉子的結構，可以啟發高效、低成本、韌性強且能適應環境變化的太陽能技術的發展。

多尺度生物啟發策略

他們的綜合策略涵蓋多個層面：

• 分子層面：利用生物啟發的分子相互作用，進行結晶控制和降解減緩。
• 微觀層面：採用動態鍵和界面增強，實施自癒合和強度增強的策略。
• 器件層面：應用自然界啟發的功能結構，如蛾眼、葉子蒸騰和甲蟲表皮，以改善光管理、熱散失和環境保護。

周教授表示：「大自然提供了豐富的設計靈感寶庫，幫助我們構建能夠適應真實環境條件的太陽能材料。我們已經將部分策略轉化應用鈣鈦礦太陽能電池技術中。」

重要進展：手性和層壓界面

這一願景建立在周教授近期於生物仿生界面設計方面的突破之上：

1. 手性結構異質界面：周教授的團隊使用R-/S-甲基苄胺創建了一個手性界面，其中螺旋緊密排列的苯環模擬彈簧形態，顯著增強了鈣鈦礦太陽能電池的力學和濕熱耐久性。這項研究已發表於《科學》。
2. 層壓啟發界面：該團隊開發了一種如生物細胞表面般的多層結構，包含分子鈍化層、富勒烯衍生物和二維鈣鈦礦覆蓋層，能有效抑制缺陷並改善能級結構，從而提高效率和抗潮濕穩定性。這項研究已發表於《自然合成》。

這些研究強調了生物啟發和分層工程在解決鈣鈦礦太陽能電池基本局限性（如附著力、疲勞和界面降解）方面的潛力。

朝向可持續和可擴展的太陽能技術邁進

多尺度設計框架強調可持續性，優先考慮與循環經濟相兼容的低毒性材料。團隊未來的研究將聚焦於篩選生物啟發分子以優化薄膜結晶和穩定性，開發應對操作壓力的自癒合機制，設計具有成本效益的生物微結構，以及集成多功能封裝以提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。

該研究的第一作者、科大化學及生物工程學系的研究助理教授段甜偉博士表示：「這項研究不僅僅關注新材料的開發；它代表了一種受到自然啟發的新型太陽能技術。通過融合生物啟發的結構、功能和可持續性，我們對太陽能領域正在開啟的新篇章感到振奮。」

本研究得到了美國耶魯大學、瑞士洛桑聯邦理工學院和美國勞倫斯柏克萊國家實驗室的合作支持。論文題為「生物啟發的鈣鈦礦太陽能電池多尺度設計」，已於著名期刊《自然綜述：清潔技術》上發表。