近期，香港城市大學(xué)（港城大）多位學(xué)者入選2024年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，并在頂尖期刊《科學(xué)》上成功發(fā)表了兩篇研究論文。論文標(biāo)題分別為《利用原子層沉積氧化錫實(shí)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(lǐng)域的深厚實(shí)力，更表明港城大的研究水平和創(chuàng)新能力已獲得國際學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可與贊譽(yù)。

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(xué)成功研發(fā)新的器件結(jié)構(gòu)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(guān)電池的商用前景更為廣闊。

港城大設(shè)計(jì)的簡化器件結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)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(tuán)隊(duì)為這種電池的結(jié)構(gòu)開發(fā)出兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。第一項(xiàng)是將電池結(jié)構(gòu)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(xiàng)則是電子傳輸層改用耐熱性極佳的無機(jī)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(jī)物質(zhì)，大大提升器件運(yùn)作時(shí)的穩(wěn)定性。

化學(xué)系朱宗龍教授說：“這項(xiàng)技術(shù)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(shí)延長了電池的使用壽命，能夠推動太陽能技術(shù)的重要進(jìn)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(lǐng)域中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

港城大的創(chuàng)新太陽能電池創(chuàng)新設(shè)計(jì)（圖右）較「傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)」（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(jié)構(gòu)是現(xiàn)行鈣鈦礦太陽能電池中最簡單的設(shè)計(jì)，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(xué)化學(xué)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為這項(xiàng)關(guān)于太陽能電池的研究將對環(huán)球能源市場帶來深遠(yuǎn)的影響，并有助加快市場轉(zhuǎn)向發(fā)展可再生能源。所以團(tuán)隊(duì)下一步將專注研究如何將這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于更大型的鈣鈦礦太陽能模塊，目標(biāo)在于進(jìn)一步提升相關(guān)技術(shù)的效率和可擴(kuò)展性。

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

港城大化學(xué)系博士生Francesco Vanin、材料科學(xué)及工程學(xué)系副研究員劉琪博士、朱教授、化學(xué)系副研究員李博博士、材料科學(xué)及工程學(xué)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(shí)驗(yàn)室及英國的倫敦帝國學(xué)院為本研究計(jì)劃的合作團(tuán)隊(duì)。

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)晶界遷移理論，開辟材料科學(xué)新視角

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

此項(xiàng)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(diǎn)，揭示晶界遷移率實(shí)際上被遷移方向影響，而不是一個常數(shù)。

港城大材料科學(xué)及工程學(xué)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(tuán)隊(duì)：（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(jìn)行了原子尺度模擬，確認(rèn)了只要晶界相鄰的兩個晶粒不是對稱相關(guān)——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(dāng)晶界在一個方向上移動速度快于相反方向時(shí)，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(xué)及工程學(xué)系博士生邱蔡豪（論文第一作者）說：“當(dāng)布朗棘輪這裝置的槳輪因原子的隨機(jī)撞擊產(chǎn)生隨機(jī)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，棘輪機(jī)構(gòu)只會產(chǎn)生單向旋轉(zhuǎn)。類似地，當(dāng)晶界受到振蕩驅(qū)動力或溫度變化的影響時(shí)，它會單向遷移。”

透過原子尺度模擬、理論與實(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(xué)》期刊上發(fā)表的論文題為《晶界乃布朗棘輪》。

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

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

關(guān)于香港城市大學(xué)

香港城市大學(xué)（港城大）是世界級教學(xué)與研究的創(chuàng)新樞紐，設(shè)有商學(xué)院、工學(xué)院、人文社會科學(xué)院、理學(xué)院、賽馬會動物醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)院、創(chuàng)意媒體學(xué)院、數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院、能源及環(huán)境學(xué)院、法律學(xué)院和周亦卿研究生院共10個學(xué)院，以及下設(shè)的28個學(xué)系。港城大位列全球大學(xué)前100名、亞洲大學(xué)前20名、建校50年以下的年輕大學(xué)前5名。

港城大致力透過啟發(fā)性學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生追求知識的熱忱，透過互動性學(xué)習(xí)培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)合作精神，并透過創(chuàng)新性學(xué)習(xí)鼓勵他們探索學(xué)術(shù)以外的事物，擁抱各種新思維及發(fā)明。我們亦積極開展可以在科學(xué)、技術(shù)或社會產(chǎn)生影響的研究。