中國科學家 鈣鈦礦疊層太陽能電池 達 30.3% 效率

中國科學家透過開發一種新型控制材料在製造過程中結晶方式的方法，將鈣鈦礦串聯太陽能電池的效率推超過關鍵的 30% 門檻。研究團隊由中國科學院寧波材料技術與工程研究所（NIMTE）的葛子毅博士和劉暢博士領導。他們在剛性全鈣鈦礦串聯太陽能電池中實現了經認證的 30.3% 功率轉換效率，在柔性版本中則達到 28%。 他們相信，這項成就能加速輕量、高效率太陽能技術的發展，這些技術比傳統矽基面板更廉價且更容易製造。

「這些發現為同時提升剛性和柔性裝置的效率與耐用性提供了途徑，從而推進輕量、可擴展光伏技術的發展，」科學家指出。

更好的太陽能電池

全鈣鈦礦串聯太陽能電池被視為最具前景的光伏（PV）技術之一，因為它們比傳統單結太陽能電池更有效地捕捉陽光。它們亦可透過低溫溶液加工製造，從而降低成本。然而，多組分鈣鈦礦薄膜的非同步結晶仍是主要挑戰。生產過程中，薄膜不同部分往往以不同速率結晶，導致結構缺陷和成分不均，降低效率與長期穩定性。 為解決此問題，團隊基於硬軟酸鹼（HSAB）理論制定添加劑設計策略，預測酸鹼交互作用。

他們在寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦層中引入精心挑選的添加劑，以同步成核和晶體生長。這不僅抑制了不均勻的垂直相分布，還提升了裝置整體薄膜均勻性。團隊對寬帶隙鈣鈦礦使用二氟(草酸根)硼酸根（DFOB⁻）添加劑，對窄帶隙層則使用四氟硼酸根（BF4⁻）。結構和光學分析顯示，此方法促進均勻晶體生長，並防止鹵素再分布，這常導致太陽能電池內部缺陷和應力積聚。 這些改進亦提升了串聯裝置的整體性能。

寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池效率從 18.5% 提升至 20.1%，窄帶隙裝置則從 21.6% 改善至 23.3%。整合至單片雙端子串聯架構後，優化剛性串聯裝置達到 30.3% 峰值效率，開路電壓為 2.16 V，填充因子為 85.2%。 此外，柔性串聯電池亦表現出色，達到 28.2% 效率，經認證值為 28.0%。這些裝置具備強大操作穩定性，這是鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）商業化的最大瓶頸。

優化剛性裝置在 1,000 小時最大功率點追蹤後保留 92% 初始效率；柔性串聯電池在 10,000 次彎曲循環後維持 95.2% 原有效率。這突顯其在可穿戴電子、輕量電源系統及柔性太陽能應用中的潛力。 「本研究為調控成分複雜鈣鈦礦系統結晶建立了通用化學原理，」研究人員在新聞稿中總結。研究已刊登於《Nature Nanotechnology》期刊。