突破性能源轉(zhuǎn)換技術，重新定義晶體界面動力學

近期，香港城市大學（港城大）多位學者入選2024年全球前2%頂尖科學家榜單，并在頂尖期刊《科學》上成功發(fā)表了兩篇研究論文。論文標題分別為《利用原子層沉積氧化錫實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性》和《晶界作為布朗棘輪》。這些成就不僅彰顯了港城大在科研領域的深厚實力，更表明港城大的研究水平和創(chuàng)新能力已獲得國際學術界的廣泛認可與贊譽。

研發(fā)新型太陽能電池 提升效率與穩(wěn)定性

香港城市大學成功研發(fā)新的器件結構和制備方案，可大幅提升鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性和效率，并簡化生產(chǎn)工序，降低成本，令相關電池的商用前景更為廣闊。

港城大設計的簡化器件結構可以促進未來鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn) 提升業(yè)界將這類電池作商業(yè)用途的信心

團隊為這種電池的結構開發(fā)出兩項創(chuàng)新技術。第一項是將電池結構原有的空穴選擇層與鈣鈦礦層二合為一，精簡了生產(chǎn)程序。第二項則是電子傳輸層改用耐熱性極佳的無機物質(zhì)二氧化錫代替?zhèn)鹘y(tǒng)的富勒烯（fullerene）及浴銅靈（BCP）等有機物質(zhì)，大大提升器件運作時的穩(wěn)定性。

化學系朱宗龍教授說：“這項技術使生產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池的過程變得更容易且成本更低，同時延長了電池的使用壽命，能夠推動太陽能技術的重要進步。”他解釋說鈣鈦礦能高效地將陽光轉(zhuǎn)化為電能，并且在多個領域中展現(xiàn)出廣泛的應用潛力。

港城大的創(chuàng)新太陽能電池創(chuàng)新設計（圖右）較「傳統(tǒng)的器件結構」（圖左）更能提升太陽能電池的穩(wěn)定性、可靠度、效率及成本效益

論文的共同作者兼港城大博士后研究員高丹鵬博士說：“研究提出的器件結構是現(xiàn)行鈣鈦礦太陽能電池中最簡單的設計，對于推動這類電池的產(chǎn)業(yè)化具有極大的優(yōu)勢。”

香港城市大學化學系朱宗龍教授（左）與高丹鵬博士手持他們研發(fā)的創(chuàng)新太陽能電池

港城大團隊認為這項關于太陽能電池的研究將對環(huán)球能源市場帶來深遠的影響，并有助加快市場轉(zhuǎn)向發(fā)展可再生能源。所以團隊下一步將專注研究如何將這種創(chuàng)新的結構應用于更大型的鈣鈦礦太陽能模塊，目標在于進一步提升相關技術的效率和可擴展性。

上述在《科學》期刊上發(fā)表的論文題為《利用原子層沉積氧化錫達至鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性》。

港城大化學系博士生Francesco Vanin、材料科學及工程學系副研究員劉琪博士、朱教授、化學系副研究員李博博士、材料科學及工程學系系主任曾曉成教授、高博士為研究的共同創(chuàng)作者，美國的國家可再生能源實驗室及英國的倫敦帝國學院為本研究計劃的合作團隊。

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)晶界遷移理論，開辟材料科學新視角

此外，港城大的研究人員與本地及海外大學的專家合作，重新塑造了科學家對晶體材料中動力學過程的基本理解，為材料加工及微觀結構調(diào)節(jié)提供了新的思路。

此項研究挑戰(zhàn)了“晶界的遷移速率與驅(qū)動力成正比”這一傳統(tǒng)觀點，揭示晶界遷移率實際上被遷移方向影響，而不是一個常數(shù)。

港城大材料科學及工程學系韓健教授說：“這意味著晶界可以在沒有凈驅(qū)動力的情況下遷移。有趣的是，這種非驅(qū)動的晶界遷移可以類比于布朗棘輪的單向旋轉(zhuǎn)。”

港城大研究團隊：（右起）邱蔡豪、韓教授以及另一作者王思琪

研究顯示，大多數(shù)晶界的遷移率取決于晶界遷移的方向。研究人員對在各種條件下的多種晶界進行了原子尺度模擬，確認了只要晶界相鄰的兩個晶粒不是對稱相關——這是通常情況——晶界遷移率就會顯示出方向性。

研究人員利用布朗棘輪模型來解釋一種現(xiàn)象：當晶界在一個方向上移動速度快于相反方向時，在零附近對稱振蕩的驅(qū)動力能夠?qū)е戮Ы缦蛞粋€方向遷移。

材料科學及工程學系博士生邱蔡豪（論文第一作者）說：“當布朗棘輪這裝置的槳輪因原子的隨機撞擊產(chǎn)生隨機方向旋轉(zhuǎn)時，棘輪機構只會產(chǎn)生單向旋轉(zhuǎn)。類似地，當晶界受到振蕩驅(qū)動力或溫度變化的影響時，它會單向遷移。”

透過原子尺度模擬、理論與實驗，證實晶界的棘輪行為（此圖修改自以下論文中的圖片：C. Qiu et al.

Science 385, 2024; DOI: 10.1126/science.adp1516）

上述在《科學》期刊上發(fā)表的論文題為《晶界乃布朗棘輪》。

這項研究重塑了大多數(shù)研究者和教科書對晶界動力學的理解，并啟發(fā)了一種控制材料微觀結構演變的新方法。

本論文的通訊作者包括韓教授、香港大學的DavidSrolovitz教授、德累斯頓工業(yè)大學的Marco Salvalag lio教授，及加州大學爾灣分校的潘曉晴教授。

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