创新能源转换技术 重塑晶体界面动力学理解 香港城市大学最新两项研究于国际期刊《科学》刊载

近期，香港城市大学（港城大）多位学者入选2024年全球前2%顶尖科学家榜单，并在顶尖期刊《科学》上成功发表了两篇研究论文。论文标题分别为《利用原子层沉积氧化锡实现钙钛矿太阳能电池的长期稳定性》和《晶界作为布朗棘轮》。这些成就不仅彰显了港城大在科研领域的深厚实力，更表明港城大的研究水平和创新能力已获得国际学术界的广泛认可与赞誉。

研发新型太阳能电池 提升效率与稳定性

香港城市大学成功研发新的器件结构和制备方案，可大幅提升钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率，并简化生产工序，降低成本，令相关电池的商用前景更为广阔。

港城大设计的简化器件结构可以促进未来钙钛矿太阳能电池的工业生产 提升业界将这类电池作商业用途的信心

团队为这种电池的结构开发出两项创新技术。第一项是将电池结构原有的空穴选择层与钙钛矿层二合为一，精简了生产程序。第二项则是电子传输层改用耐热性极佳的无机物质二氧化锡代替传统的富勒烯（fullerene）及浴铜灵（BCP）等有机物质，大大提升器件运作时的稳定性。

化学系朱宗龙教授说：“这项技术使生产钙钛矿太阳能电池的过程变得更容易且成本更低，同时延长了电池的使用寿命，能够推动太阳能技术的重要进步。”他解释说钙钛矿能高效地将阳光转化为电能，并且在多个领域中展现出广泛的应用潜力。

港城大的创新太阳能电池创新设计（图右）较「传统的器件结构」（图左）更能提升太阳能电池的稳定性、可靠度、效率及成本效益

论文的共同作者兼港城大博士后研究员高丹鹏博士说：“研究提出的器件结构是现行钙钛矿太阳能电池中最简单的设计，对于推动这类电池的产业化具有极大的优势。”

香港城市大学化学系朱宗龙教授（左）与高丹鹏博士手持他们研发的创新太阳能电池

港城大团队认为这项关于太阳能电池的研究将对环球能源市场带来深远的影响，并有助加快市场转向发展可再生能源。所以团队下一步将专注研究如何将这种创新的结构应用于更大型的钙钛矿太阳能模块，目标在于进一步提升相关技术的效率和可扩展性。

上述在《科学》期刊上发表的论文题为《利用原子层沉积氧化锡达至钙钛矿太阳能电池的长期稳定性》。

港城大化学系博士生Francesco Vanin、材料科学及工程学系副研究员刘琪博士、朱教授、化学系副研究员李博博士、材料科学及工程学系系主任曾晓成教授、高博士为研究的共同创作者，美国的国家可再生能源实验室及英国的伦敦帝国学院为本研究计划的合作团队。

挑战传统晶界迁移理论，开辟材料科学新视角

此外，港城大的研究人员与本地及海外大学的专家合作，重新塑造了科学家对晶体材料中动力学过程的基本理解，为材料加工及微观结构调节提供了新的思路。

此项研究挑战了“晶界的迁移速率与驱动力成正比”这一传统观点，揭示晶界迁移率实际上被迁移方向影响，而不是一个常数。

港城大材料科学及工程学系韩健教授说：“这意味着晶界可以在没有净驱动力的情况下迁移。有趣的是，这种非驱动的晶界迁移可以类比于布朗棘轮的单向旋转。”

港城大研究团队：（右起）邱蔡豪、韩教授以及另一作者王思琪

研究显示，大多数晶界的迁移率取决于晶界迁移的方向。研究人员对在各种条件下的多种晶界进行了原子尺度模拟，确认了只要晶界相邻的两个晶粒不是对称相关——这是通常情况——晶界迁移率就会显示出方向性。

研究人员利用布朗棘轮模型来解释一种现象：当晶界在一个方向上移动速度快于相反方向时，在零附近对称振荡的驱动力能够导致晶界向一个方向迁移。

材料科学及工程学系博士生邱蔡豪（论文第一作者）说：“当布朗棘轮这装置的桨轮因原子的随机撞击产生随机方向旋转时，棘轮机构只会产生单向旋转。类似地，当晶界受到振荡驱动力或温度变化的影响时，它会单向迁移。”

透过原子尺度模拟、理论与实验，证实晶界的棘轮行为（此图修改自以下论文中的图片：C. Qiu et al.
Science 385, 2024; DOI: 10.1126/science.adp1516）

上述在《科学》期刊上发表的论文题为《晶界乃布朗棘轮》。

这项研究重塑了大多数研究者和教科书对晶界动力学的理解，并启发了一种控制材料微观结构演变的新方法。

本论文的通讯作者包括韩教授、香港大学的DavidSrolovitz教授、德累斯顿工业大学的Marco Salvalag lio教授，及加州大学尔湾分校的潘晓晴教授。

关于香港城市大学

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