鈣鈦礦太陽電池作為極具應用前景的新型光伏技術，具有效率高、成本低、柔性與輕量化等優勢，對解決能源與環境問題具有重要意義，然而，器件不穩定性成為限制其產業化發展的首要挑戰。如何提升器件的穩定性、打破鈣鈦礦電池“短命”魔咒？來自上海的科研團隊有了新的突破。
北京時間3月7日凌晨，華東理工大學材料學院清潔能源材料與器件團隊侯宇教授、楊雙教授等人在Science（《科學》）發表題為“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的最新研究成果。該研究率先揭示了新型光伏不穩定性的關鍵機制——光機械誘導分解效應，創新性地提出石墨烯-聚合物機械增強鈣鈦礦材料的新方法，制備的太陽能電池器件在標準太陽光照及高溫下的T97工作壽命創下3670小時新紀錄，該研究成果將為鈣鈦礦太陽電池的產業化應用提供全新解決方案。
《科學》期刊發表清潔能源材料與器件團隊最新研究成果
鈣鈦礦太陽電池的器件為何不穩定？侯宇介紹，作為光伏電池的關鍵組分，鈣鈦礦材料表現出典型的軟晶格特性，在水氧、光照、高溫和電場等環境因素作用下，容易發生化學分解及結構退化，導致器件效率大幅下降。
“傳統理論認為，光、熱等因素直接引起鈣鈦礦的氧化還原、離子遷移等分解行為。我們發現，上述因素首先在材料內導致局域應力，而這類‘動態應力’才是誘發材料分解的元兇，這就是光機械誘導分解效應。”據侯宇介紹，在太陽光照下，鈣鈦礦材料表現出顯著的光致伸縮效應，膨脹比例可超過1%，這將導致鈣鈦礦晶體之間的擠壓，并在晶界附近積累局部應力，加速了晶界區域的缺陷形成，從而造成鈣鈦礦電池的性能損失。
侯宇介紹，鈣鈦礦太陽電池結構由五層組成，從上至下分別為導電玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦、電子傳輸層、金屬電極。為了提升處于核心的鈣鈦礦材料的穩定性，以往科學家們嘗試改變鈣鈦礦組分和結晶性，或設計控制鈣鈦礦表面分子結構，但仍難達到商業化應用標準。
“光機械誘導分解效應”的發現，為團隊理解鈣鈦礦材料的退化機制提供了新的視角，并為進一步提高其穩定性提供了重要思路。
如何提升鈣鈦礦的穩定性？團隊找到了石墨烯這個“外援”。石墨烯具有超高模量（約1 TPa），是鈣鈦礦材料模量的50~100倍，且具有均勻致密、耐機械疲勞和化學穩定的優點。
事實上，石墨烯與鈣鈦礦本身并不兼容，但經過多次嘗試，團隊發現，可以通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯方式，將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面，從而實現兩者的高均勻度、多功能性集成。由此，一個新型太陽鈣鈦礦電池器件形成了。
石墨烯-聚合物耦合雙層界面結構，實現兼具高強度、高韌性以及優異電荷輸運特性的鈣鈦礦薄膜材料。
侯宇介紹說，得益于石墨烯出色的機械性能和聚合物的耦合效應，鈣鈦礦薄膜的模量和硬度提高了兩倍，并顯著限制了在光照條件下的晶格動態伸縮效應。“研究表明，石墨烯-聚合物雙層結構將晶格變形率從+0.31%下降至+0.08%，有效減少了晶界附近由膨脹引起的材料破壞。”
通過動態結構演變實驗和計算模型相結合，研究團隊驗證了該耦合界面結構在工作條件下能夠有效抑制晶格變形以及橫向離子擴散，從而確保鈣鈦礦器件在光照、高溫及真空條件等環境下的長期穩定性。基于這一設計，太陽電池在在標準太陽光照及高溫下工作的T97壽命達到了3670小時。
石墨烯-聚合物耦合界面實現鈣鈦礦光伏工況壽命的新突破
對于通過石墨烯-聚合物耦合界面實現鈣鈦礦光伏工況壽命新突破這項工作，侯宇認為，最大的意義在于揭示了光伏性能退化的未知關鍵因素——“光機械作用”，這從根本上理解了鈣鈦礦薄膜在實際應用過程中出現的動態結構損傷及其強化調控原理，為克服穩定性瓶頸、推動鈣鈦礦器件的工業化生產和應用提供了新的解決方案。
團隊成員在測試鈣鈦礦太陽能電池光電性能
華東理工大學為該工作的唯一通訊單位，通訊作者為侯宇教授和楊雙教授，第一作者為材料學院博士研究生李慶，該研究工作得到了華東理工大學楊化桂教授指導，上海大學鄭祎初副研究員在理論模擬方面提供了重要支持。研究工作還得到了國家自然科學基金、上海市基礎研究特區等項目資金的支持。
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