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韓忠楠
2025-04-30 20:47
如何讓鈣鈦礦太陽延長“壽命”也是業內人士想攻克的難題。
作為光伏電池的關鍵組分，鈣鈦礦太陽電池具有轉化效率高、低成本、柔性與輕量化等優勢，是一類極具應用前景的新型光伏技術，不過，鈣鈦礦材料容易發生化學分解及結構退化，導致器件效率大幅下降，如何讓它延長“壽命”也是業內人士想攻克的難題。
北京時間3月7日，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，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。
研究團隊介紹，對于“怕見光”的鈣鈦礦材料來說，這個發現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”。
金葉子／攝
“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，造成了鈣鈦礦電池的性能損失?！焙钣钫f，因此，這個發現也為克服穩定性瓶頸、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。
而這個研究發現，要歸功于石墨烯這個“外援”。
楊雙對第一財經記者解釋，相對于晶硅電池，鈣鈦礦太陽電池具有轉化效率高、低成本、柔性與輕量化等優勢，是一類極具應用前景的新型光伏技術，對解決能源與環境問題具有重要意義，然而，器件不穩定性是限制其產業化發展的首要挑戰。而石墨烯具有超高模量，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。團隊就在設想有沒有可能借用石墨烯這個“外援”，來提升鈣鈦礦的穩定性。
經過多次嘗試，團隊發現，可以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，組成一個新型太陽鈣鈦礦電池器件。
侯宇介紹，得益于石墨烯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。
采訪對象提供
“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，科學家們要么嘗試改變鈣鈦礦組分和結晶性，要么設計控制鈣鈦礦表面分子結構，然而卻收效甚微?！痹诮o鈣鈦礦材料加上了石墨烯后，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。
這篇題為“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的研究成果，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“95后“博士研究生李慶，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。
