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(yōu)勢，對解決能源與環(huán)境問題具有重要意義，然而，器件不穩(wěn)定性是限制其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的首要挑戰(zhàn)。

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(fā)表題為“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦光伏不穩(wěn)定性的關鍵機制——光機械誘導分解效應，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(chuàng)下3670小時新紀錄，該研究成果將為鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化應用提供全新解決方案。

圖1. 《科學》期刊發(fā)表清潔能源材料與器件團隊最新研究成果

作為光伏電池的關鍵組分，鈣鈦礦材料表現(xiàn)出典型的軟晶格特性，在水氧、光照、高溫和電場等環(huán)境因素作用下，容易發(fā)生化學分解及結(jié)構(gòu)退化，導致器件效率大幅下降。

“傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，上述因素首先在材料內(nèi)導致局域應力，而這類‘動態(tài)應力’才是誘發(fā)材料分解的元兇，這就是光機械誘導分解效應。”據(jù)侯宇介紹，在太陽光照下，鈣鈦礦材料表現(xiàn)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(qū)域的缺陷形成，造成了鈣鈦礦電池的性能損失。

鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)一般由五層組成，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(wěn)定性，科學家們嘗試改變鈣鈦礦組分和結(jié)晶性，或設計控制鈣鈦礦表面分子結(jié)構(gòu)，但仍難達到商業(yè)化應用標準。“光機械誘導分解效應”的發(fā)現(xiàn)，為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(wěn)定性提供了重要思路。

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(wěn)定的優(yōu)點。有沒有可能借用石墨烯這個“外援”，來提升鈣鈦礦的穩(wěn)定性呢？然而，石墨烯與鈣鈦礦并不兼容，如何實現(xiàn)是一大難題。

經(jīng)過多次嘗試，團隊發(fā)現(xiàn)，可以通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯(lián)方式，將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面，從而實現(xiàn)兩者的高均勻度、多功能性集成。由此，一個新型鈣鈦礦太陽能電池器件形成（圖2）。

圖2. 石墨烯-聚合物耦合雙層界面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兼具高強度、高韌性以及優(yōu)異電荷輸運特性的鈣鈦礦薄膜材料

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(tài)伸縮效應。研究表明，石墨烯-聚合物雙層結(jié)構(gòu)將晶格變形率從+0.31%降低至+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(tài)結(jié)構(gòu)演變實驗和計算模型相結(jié)合，研究團隊驗證了該耦合界面結(jié)構(gòu)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、高溫及真空等環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。基于這一設計，太陽電池在標準太陽光照及高溫（90℃）條件下，T97工作壽命（效率衰減至97%）達到3670小時（圖3）。

圖3. 石墨烯-聚合物耦合界面實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池工況壽命的新突破

多年來，清潔能源材料與器件團隊聚焦國家“雙碳”戰(zhàn)略，已在新型光伏領域取得系列研究成果，如建立了一套理論設計及精準篩選太陽能電池關鍵功能材料的通用方法，突破傳統(tǒng)材料合成的瓶頸，開發(fā)出一系列高性能、穩(wěn)定的光電功能晶態(tài)材料，提出光伏器件表面分子功能化新方法，顯著提升太陽電池的環(huán)境穩(wěn)定性，等等。

對于通過石墨烯-聚合物耦合界面實現(xiàn)鈣鈦礦光伏工況壽命新突破，侯宇認為，該研究成果的重要意義在于揭示了光伏性能退化的未知關鍵因素——“光機械誘導分解效應”，從根本上理解了鈣鈦礦薄膜在實際應用過程中出現(xiàn)的動態(tài)結(jié)構(gòu)損傷及其機械強化調(diào)控原理，為克服穩(wěn)定性瓶頸、推動鈣鈦礦器件的工業(yè)化生產(chǎn)和應用提供了新的解決方案。

圖4 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的悉心指導，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(qū)等項目資金的支持。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu5563