香港理工大學團隊研發新型鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池在陰影下保持高效率

香港理工大學的研究團隊創造了一種新型的鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池，即使在部分被遮蔽的情況下也能保持良好的工作性能。根據他們的研究，這些薄膜太陽能電池在遭受負壓力（逆偏壓）到達-40 伏特的嚴苛情況下，仍能保持超過 90%的原始效率，而這一壓力通常會對標準薄膜太陽能電池造成損害。樹木、雲層、建築物甚至鳥類阻擋陽光時，太陽能電池板可能會經歷逆偏壓應力。這種負電壓會降低電力輸出，並可能對薄膜太陽能電池造成永久性損壞。

理工大學的團隊表示，他們的新設計對此問題具有更高的抵抗力，使這項技術更適用於實際應用。

新型電池的高穩定性

薄膜太陽能技術如碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦和有機太陽能電池因其輕便、柔韌且製造成本較低而受到青睞。然而，當面板的某部分被遮蔽時，這些技術都會遇到困難。在這些情況下，被遮蔽的電池可能會產生負電壓，對材料造成應力。由於這些太陽能電池同時運載電子和離子，逆偏壓過久會降低其性能並最終導致損壞。提升其對逆偏壓的抵抗力是延長使用壽命的關鍵。研究人員對有機太陽能電池進行了深入研究，儘管其效率在近年來有顯著提升，但其在逆偏壓條件下的反應仍不甚明瞭。

理工大學電機及電子工程系的能源轉換技術講座教授李剛表示：「我們在有機太陽能電池（OSCs）和鈣鈦礦有機串聯太陽能電池（POTSCs）在挑戰性逆偏壓條件下的穩定性方面取得了重大進展。這項研究對於理解有機和鈣鈦礦太陽能技術的設備運作和耐用性做出了突破性貢獻。」研究團隊已生產出不同尺寸的太陽能電池模組，即使在-40 伏特的負電壓下，也能保持超過 90%的初始效率。

解決深陷阱態缺陷

團隊發現，損壞源自於一種稱為深陷阱態的缺陷，存在於製造電力的厚膜異質接面中。這些缺陷會捕獲電荷，降低效率，並在逆偏壓運作期間使永久性損壞的可能性增加。為瞭解決這個問題，研究人員抑制了太陽能電池中供體-受體混合區域的孤立受體集羣，從而減少了深陷阱態的數量，並使設備更加耐用。因此，這些新型有機太陽能電池能承受超過-35 伏特的擊穿電壓，這意味著在不造成持久損壞的情況下，可以承受高達該電壓的逆偏壓，為有機太陽能電池的穩定性和效率設定了新標準。

研究還顯示，改進的有機太陽能電池能保護鈣鈦礦層，特別是在無機鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池中。它們通過阻止逆隧穿來達成這一目標，逆隧穿會在遮蔽期間損害設備。即使在-40 伏特的情況下，這些串聯太陽能電池仍能保持超過 90%的原始效率。這些設備還顯示出強大的長期穩定性。在-20 伏特運行 12 小時後，仍保持 90%的起始效率。在-4.5 伏特運行 2,000 小時（約 83 天）後，其效率保持在 97%。

研究成果超越現有技術

研究人員指出，這些結果優於目前的薄膜太陽能技術。

這項新研究是基於團隊在 2025 年發表於《Nature Energy》的早期研究。該研究中，他們開發了 n-i-p 無機鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池，其功率轉換效率達到 25.9%，經獨立認證為 25.1%，採用底接觸調制。在這項新研究中，串聯太陽能電池的功率轉換效率超過 26%，並變得更加耐受逆偏壓應力，這使這項技術更接近應用於實際的太陽能模組。「在遮蔽條件下，卓越的逆偏壓穩定性在可擴展的鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池小模組中得到了生動的展示。

這標誌著一個重要的進步，為以可再生能源系統驅動的可持續和高效未來鋪平了道路。」李教授補充道。這項新研究發表於《Nature Materials》期刊上。

新型太陽能電池的實際應用潛力

香港理工大學的研究顯示，新型鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池在逆偏壓條件下的穩定性顯著提升，這對於實際應用至關重要。隨著可再生能源需求的增加，這項技術的發展將有助於解決傳統太陽能電池在遮蔽情況下效率下降的問題。研究團隊的成果不僅提升了電池的耐用性，還為未來的太陽能模組設計提供了新的方向，推動可持續能源系統的發展。