鈣鈦礦太陽能電池——城大化學與材料的清潔能源前沿

香港城市大學(CityUHK)綜合信息數據庫 · 04 科研模塊 · 材料學深挖系列 總覽與其他標誌性突破見 materials-and-engineering-research.md；城大材料學的另一旗艦（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的故事： 一塊鈣鈦礦太陽能電池，在 65℃ 的高温下連續運行超過 1,000 小時後，仍能保留九成以上的效率。這不是一個孤立的實驗室數字，而是城大化學系團隊三年內接連攻克「效率」與「穩定性」兩大難關後，交出的階段性答卷——也是這類新一代光伏材料距離真正走出實驗室、走進屋頂，又近了一步的信號。

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# 一、鈣鈦礦電池為何重要

傳統硅基太陽能電池技術成熟但效率提升空間漸窄、製造能耗較高。鈣鈦礦太陽能電池則以其高光電轉換效率潛力、低成本溶液製備等優勢，被寄望為光伏的「下一代」。但它有兩大「攔路虎」：

1. 效率(efficiency)：如何把光轉化為電的比例推到更高；
2. 穩定性(stability)：鈣鈦礦材料易受濕、熱、光照影響而衰減，商業化的關鍵在於「能用多久」。

城大團隊的研究，正是圍繞這兩大難關展開——而且是按「界面 → 薄膜 → 工藝」的順序，一層一層往下打。

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# 二、代表性成果（均附公開來源）

# 2.1 二茂鐵界面策略：效率與穩定性兼得(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與穩定性的策略。據公開報道，城大朱姓教授(Dr Zhu Zonglong)團隊與帝國理工學院的 Long 教授合作，把二茂鐵(ferrocenes)用作光吸收層與電子傳輸層之間的界面，實現了突破——這一界面工程同時改善了電池的性能與耐久性。

# 2.2 非揮發添加劑：倒置電池效率提至約 24.8%(2023)

2023 年 5 月^※，城大團隊開發出一種多功能、非揮發性的添加劑，通過調控鈣鈦礦薄膜的生長，提升電池的效率與穩定性。據報道，基於改性鈣鈦礦的倒置(inverted)鈣鈦礦太陽能電池，光電轉換效率被提升至約 24.8%——這是一個相當高的效率水平。相關研究亦被國際光伏媒體關注，有報道提及香港研究者開發出效率達 25.6% 的倒置鈣鈦礦電池^※。

# 2.3 一步溶液塗布：為商業化掃清障礙(2023)

效率再高，若製造工藝複雜、難以量產，也難走向市場。2023 年 4 月^※，城大與美國國家可再生能源實驗室(NREL)合作，共同開發出一種「一步溶液塗布(one-step solution-coating)」方法，簡化了製造流程、降低了商業化門檻。這一成果把研究焦點從「實驗室效率」推向「如何讓鈣鈦礦電池真正能被規模化製造」——這正是從論文到產品的關鍵一躍。

# 2.4 三招合力：2023 年 10 月的《Science》論文

前述幾條線在 2023 年 10 月^※迎來一次集大成的總結：城大化學系朱宗龍教授團隊設計出一種自組裝單分子層(self-assembled monolayer, SAM)，將其錨定在氧化鎳納米顆粒表面作為電荷抽取層，用於倒置(p-i-n)結構的鈣鈦礦電池。測試結果顯示，改進後的器件在約 65℃ 高温下連續運行逾 1,000 小時後仍保留逾 90% 的效率，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》發表於頂級期刊《Science》，由城大與華中科技大學李忠安教授合作完成。這篇論文是前兩年界面工程與薄膜調控經驗的收束，把「效率」與「熱穩定性」這兩個原本此消彼長的指標同時推到了一個此前少見的水平。

# 2.5 簡化架構：把「結構」也變成一道可攻克的難關(2024)

前四項突破多在提升效率或穩定性數字本身，2024 年 10 月^※的這項工作則轉向了另一道題：能不能把電池的結構本身做簡單。據城大官方報道，朱姓教授與高姓研究員(Dr Gao Danpeng)領導的團隊，聯合材料科學與工程學系同事，把空穴選擇材料與鈣鈦礦層直接整合，並以無機氧化錫取代傳統的有機電子傳輸層，得到「當前鈣鈦礦太陽能電池領域最簡化的架構之一」。該結構在保持逾 25% 光電轉換效率的同時，於持續運行2,000 小時後仍保留逾 95% 的效率——較 2023 年《Science》論文報告的 1,000 小時測試窗口更長，穩定性數據更進一步。據報道，團隊認為這一簡化架構因材料成本更低、製造工序更少，有望在約五年內具備量產條件。這項研究延續了與美國 NREL、英國帝國理工學院的合作網絡。

層數更少、工序更簡，意味着良率更高、成本更低——這恰恰呼應了 2.3 節「一步溶液塗布」想解決的同一個商業化痛點，只是這次從「塗布工藝」轉向了「器件架構」本身。

# 2.6 疊層電池破 31%：與硅電池「拼裝」而非「取代」(2025)

單結鈣鈦礦電池的效率天花板受限於材料本身的肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser limit，約 33.7%），行業近年的主攻方向因此轉向鈣鈦礦/晶硅疊層電池(tandem cell)：把鈣鈦礦薄膜疊加在傳統晶硅電池之上，利用兩種材料對不同波段光的吸收互補，突破單結電池的理論上限。2025 年 1 月^※發表於《Advanced Materials》的一項研究中，朱姓教授聯合深圳技術大學、晶科能源(JinkoSolar)團隊，提出「鹵素鎖定(halide locking)」策略：通過引入多功能銨鹽添加劑硫代乙酰乙酰胺鹽酸鹽(TAACl)，與寬帶隙鈣鈦礦層中的陽離子、陰離子同時成鍵，抑制鈣鈦礦薄膜常見的相分離問題，並誘導晶體沿(001)晶面擇優生長。

據該論文，採用這一策略的鈣鈦礦/TOPCon 晶硅疊層電池，光電轉換效率達到 31.32%，開路電壓 1.931V、填充因子 81.54%；單獨測試的鈣鈦礦子電池效率達 22.95%。器件在持續追蹤測試 1,000 小時後，仍保留 95.43% 的效率。這是城大團隊首次把研究場景從「純鈣鈦礦電池」延伸到「與晶硅電池拼裝」的疊層賽道——也是本條研究線裏目前效率最高的一項公開成果。

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# 三、放到全球座標系裏看：這條賽道的進度與卡點

一句話答案： 城大的實驗室數字並非孤立存在——它嵌在一條全球都在拼命刷新的賽道里，這條賽道 2024 至 2026 年間同時出現了「效率破天花板」與「首批商業組件出貨」兩件大事，但「鉛」這道環保關卡至今沒有定論。

# 3.1 效率紀錄：從「單結」捲到「疊層」

單結鈣鈦礦電池的效率存在理論天花板，即肖克利-奎伊瑟極限——1961 年由貝爾實驗室物理學家 Shockley 與 Queisser 提出，約 33.7%。要突破這道天花板，行業普遍轉向鈣鈦礦/晶硅疊層電池。據 NREL 效率紀錄圖表相關報道整理^※，截至 2025 年 4 月，中國企業隆基綠能(LONGi)的兩端式鈣鈦礦/晶硅疊層電池，經 NREL 認證效率達到 34.85%，是首個經認證突破單結理論極限的疊層器件；該電池採用氟化鋰/EDAI 雙層界面鈍化策略，得到蘇州大學、華能清潔能源研究院與香港理工大學的支持。以下把幾條公開報道的效率數字並排列出，供交叉參照：

口徑提醒：以上效率均為特定團隊、特定器件面積、特定時點的實驗室或小面積認證值，彼此測試條件（單結/疊層、器件面積、認證機構）不同，不可直接排名比較；引用時務必回到各自來源核對條件。

# 3.2 從紀錄到貨架：Oxford PV 的首批出貨

實驗室效率再高，能不能變成屋頂上的組件，是另一回事。據 pv magazine 報道(2024-09-05)^※，英國廠商 Oxford PV 於 2024 年 9 月向美國一處公用事業規模項目發出首批 72 片式、效率 24.5% 的鈣鈦礦/晶硅疊層商業組件，這是全球首次有鈣鈦礦疊層組件進入商業化交付；該組件在德國勃蘭登堡的產線製造，據廠方稱可比傳統晶硅組件多發電約兩成。這標誌着鈣鈦礦賽道走出了「只有論文與紀錄」的階段，儘管出貨規模仍遠小於晶硅產業的量級。

# 3.3 懸而未決的關卡：鉛

鈣鈦礦吸光層普遍含鉛，這是商業化路上繞不開的環保爭議。據行業綜述，鈣鈦礦組件吸光層的含鉛量約為每平方米 0.5 至 1 克，而一塊常規尺寸（約 2.8 平方米）的晶硅組件，其焊料中含鉛量約 4 克；中國廠商 GCL（協鑫）方面稱，其鈣鈦礦組件經長期浸水測試後，鉛析出水平優於晶硅組件。但這一説法尚未形成行業共識，無鉛或低鉛鈣鈦礦配方、更可靠的封裝工藝，仍是學界與產業界公認的長期課題——這也是為何本條研究線裏，城大 2024 年的「簡化架構」工作會被官方定位為「有望在約五年內量產」而非「即將量產」的原因之一。

城大這條研究線的專利與許可轉化路徑，與其「專利→許可→初創」的轉化閉環（見 專利產出與技術轉移）屬同一套機制，但截至本文所核，尚未見城大就鈣鈦礦專利單獨設立衍生公司的公開報道。

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# 四、這條研究線的特點

把上述成果串起來，可見城大鈣鈦礦研究的幾個特點：

1. 「效率 + 穩定性 + 可製造性 + 架構」全鏈條。從界面工程(2.1)、薄膜調控(2.2)、製造工藝(2.3)到集大成的《Science》論文(2.4)，再到簡化架構(2.5)與疊層電池(2.6)，城大的研究覆蓋了鈣鈦礦電池走向應用的完整鏈條，而非只追求實驗室裏的高效率數字。
2. 化學與材料的交叉。這條線橫跨化學系與材料科學，鈣鈦礦研究本質上是「化學合成 + 材料工程 + 器件物理」的交叉，正契合城大材料學的集羣優勢。
3. 國際合作密集。與帝國理工、美國 NREL、華中科技大學、深圳技術大學、晶科能源等機構合作，呼應城大「全球最國際化大學」的國際合著優勢（見 09-international/most-international-university.md）。
4. 對接清潔能源大勢。鈣鈦礦光伏直接服務於「能源轉型 / 淨零碳」議程，與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」的呼應。
5. 從「單打」到「拼裝」。2025 年的疊層電池工作(2.6)標誌着城大的研究重心，從單純追求鈣鈦礦自身的效率與穩定性，延伸到與晶硅產業「拼裝」的路徑——這也是全球賽道 2024 年後的主流方向（見 3.1）。

口徑提醒：鈣鈦礦太陽能電池的效率紀錄在全球範圍內被頻繁刷新，「約 24.8% / 25.6% / 31.32%」均為特定研究、特定時點的報道值，且實驗室效率與量產效率有差距。引用具體效率數字時，務必回到所附原始來源核對其測試條件與時點。

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# 五、小結

• 城大在鈣鈦礦太陽能電池領域圍繞效率與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提至約 24.8%(2023)^※、與美國 NREL 合作的一步溶液塗布法(2023)^※，在 2023 年 10 月的《Science》論文^※中把效率與熱穩定性同時推高，又於 2024 年簡化電池架構^※、2025 年把疊層電池效率推到 31.32%^※。
• 這條研究線覆蓋「效率 + 穩定性 + 可製造性 + 架構」全鏈條，體現化學與材料的交叉、密集的國際合作，並對接清潔能源大勢。
• 放到全球座標系裏看，城大的進度與 LONGi(34.85%)、Oxford PV（首批商業出貨）構成同一條賽道的不同側面；鉛的環保爭議則是全行業尚未解決的公共課題。
• 效率數字為特定研究、特定時點的報道值，引用須核對測試條件與器件類型（單結/疊層）。

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