鈣鈦礦太陽能電池——城大化學與材料嘅潔淨能源前沿

香港城市大學(CityUHK)綜合資訊數據庫 · 04 科研模塊 · 材料學深挖系列 總覽同其他標誌性突破見 materials-and-engineering-research.md；城大材料學另一旗艦（高熵合金）見 高熵合金與先進金屬。

一份實驗室數據講一個商業化嘅故事： 一塊鈣鈦礦太陽能電池，喺 65℃ 嘅高温下連續運行超過 1,000 個鐘之後，仍然可以保留九成以上嘅效率。呢個唔係一個孤立嘅實驗室數字，而係城大化學系團隊喺三年之內接連攻克「效率」同「穩定性」兩大難關之後，交出嘅階段性答卷——亦係呢類新一代光伏材料距離真正行出實驗室、行上屋頂，又近咗一步嘅信號。

# 一、鈣鈦礦電池點解咁重要

傳統矽基太陽能電池技術成熟，但效率提升空間愈嚟愈窄、製造能耗較高。鈣鈦礦太陽能電池就以佢嘅高光電轉換效率潛力、低成本溶液製備等優勢，被寄望成為光伏嘅「下一代」。之不過佢有兩大「攔路虎」：

1. 效率 (efficiency)：點樣將光轉化成電嘅比例推得更高；
2. 穩定性 (stability)：鈣鈦礦材料容易受濕、熱、光照影響而衰減，商業化嘅關鍵在於「可以用幾耐」。

城大團隊嘅研究，正正係圍繞呢兩大難關展開——而且係按「界面 → 薄膜 → 工藝」嘅次序，一層一層打落去。

# 二、代表性成果（均附公開來源）

# 2.1 二茂鐵界面策略：效率同穩定性兼得 (2022)

2022 年 4 月^※，城大化學家發展出一種提升鈣鈦礦太陽能電池效率同穩定性嘅策略。據公開報道，城大朱姓教授 (Dr Zhu Zonglong) 團隊同帝國理工學院嘅 Long 教授合作，將二茂鐵 (ferrocenes) 用作光吸收層同電子傳輸層之間嘅界面，實現咗突破——呢項界面工程同時改善咗電池嘅性能同耐用性。

# 2.2 非揮發添加劑：倒置電池效率推至約 24.8% (2023)

2023 年 5 月^※，城大團隊開發出一種多功能、非揮發性嘅添加劑，透過調控鈣鈦礦薄膜嘅生長，提升電池嘅效率同穩定性。據報道，基於改性鈣鈦礦嘅倒置 (inverted) 鈣鈦礦太陽能電池，光電轉換效率被提升至約 24.8%——呢個係一個相當高嘅效率水平。相關研究亦受國際光伏媒體關注，有報道提及香港研究者開發出效率達 25.6% 嘅倒置鈣鈦礦電池^※。

# 2.3 一步溶液塗佈：為商業化掃清障礙 (2023)

效率再高，若果製造工藝複雜、難以量產，都好難行上市場。2023 年 4 月^※，城大同美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 合作，共同開發出一種「一步溶液塗佈 (one-step solution-coating)」方法，簡化咗製造流程、降低咗商業化門檻。呢項成果將研究焦點由「實驗室效率」推向「點樣令鈣鈦礦電池真正可以規模化製造」——正正係由論文到產品嘅關鍵一躍。

# 2.4 三招合力：2023 年 10 月嘅《Science》論文

前述幾條線喺 2023 年 10 月^※迎來一次集大成嘅總結：城大化學系朱姓教授團隊設計出一種自組裝單分子層 (self-assembled monolayer, SAM)，將佢錨定喺氧化鎳納米顆粒表面作為電荷抽取層，用喺倒置 (p-i-n) 結構嘅鈣鈦礦電池。測試結果顯示，改進後嘅器件喺大約 65℃ 高温下連續運行超過 1,000 個鐘之後仍然保留超過 90% 嘅效率，轉換效率達到 25.6%。相關論文《Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells》發表喺頂級期刊《Science》，由城大同華中科技大學李姓教授合作完成。呢篇論文某種意義上係前兩年界面工程同薄膜調控經驗嘅收束——將「效率」同「熱穩定性」呢兩個原本此消彼長嘅指標，同時推到一個此前少見嘅水平。

# 三、呢條研究線嘅特點

將上述成果串連起嚟，就可以見到城大鈣鈦礦研究嘅幾個特點：

1. 「效率 + 穩定性 + 可製造性」全鏈條。由界面工程 (2.1)、薄膜調控 (2.2) 到製造工藝 (2.3)，再到集大成嘅《Science》論文 (2.4)，城大嘅研究覆蓋咗鈣鈦礦電池行向應用嘅完整鏈條，而唔係只追求實驗室裏面嘅高效率數字。
2. 化學同材料嘅交叉。呢條線橫跨化學系同材料科學——鈣鈦礦研究本質上係「化學合成 + 材料工程 + 器件物理」嘅交叉，正正契合城大材料學嘅集羣優勢。
3. 國際合作密集。同帝國理工、美國 NREL、華中科技大學等機構合作，呼應城大「全球最國際化大學」嘅國際合著優勢（見 09-international/most-international-university.md）。
4. 對接潔淨能源大勢。鈣鈦礦光伏直接服務於「能源轉型 / 淨零碳」議程，同城大能源及環境學院（見 01-academics/school-of-energy-and-environment.md）、淨零碳校園（見 05-campus/sustainability-and-net-zero.md）形成「基礎研究—學院—校園實踐」嘅呼應。

口徑提醒：鈣鈦礦太陽能電池嘅效率紀錄喺全球範圍入面頻繁刷新，「約 24.8% / 25.6%」都係特定研究、特定時點嘅報道值，而且實驗室效率同量產效率有差距。引用具體效率數字嗰陣，務必返去所附原始來源核對返佢嘅測試條件同時間點。

# 四、小結

• 城大喺鈣鈦礦太陽能電池領域圍繞效率同穩定性兩大難關持續突破：二茂鐵界面策略 (2022)^※、非揮發添加劑將倒置電池效率推至約 24.8% (2023)^※、同美國 NREL 合作嘅一步溶液塗佈法 (2023)^※，最後喺 2023 年 10 月嘅《Science》論文^※入面將效率同熱穩定性同時推高。
• 呢條研究線覆蓋「效率 + 穩定性 + 可製造性」全鏈條，體現化學同材料嘅交叉、密集嘅國際合作，並對接潔淨能源大勢。
• 效率數字係特定研究、特定時點嘅報道值，引用嗰陣必須核對測試條件。