作為光伏電池的關(guān)鍵組分，鈣鈦礦太陽電池具有轉(zhuǎn)化效率高、低成本、柔性與輕量化等優(yōu)勢，是一類極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)，不過，鈣鈦礦材料容易發(fā)生化學分解及結(jié)構(gòu)退化，導致器件效率大幅下降，如何讓它延長“壽命”也是業(yè)內(nèi)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(fā)表最新研究成果，該研究率先揭示了新型光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機制——光機械誘導分解效應(yīng)，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(yīng)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(fā)現(xiàn)最大的意義在于揭示了光伏性能退化的未知關(guān)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(xiàn)出顯著的光致伸縮效應(yīng)，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(yīng)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。”侯宇說，因此，這個發(fā)現(xiàn)也為克服穩(wěn)定性瓶頸、推動鈣鈦礦器件的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供了新的解決方案。

而這個研究發(fā)現(xiàn)，要歸功于石墨烯這個“外援”。

楊雙對第一財經(jīng)記者解釋，相對于晶硅電池，鈣鈦礦太陽電池具有轉(zhuǎn)化效率高、低成本、柔性與輕量化等優(yōu)勢，是一類極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)，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)。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(wěn)定的優(yōu)點。團隊就在設(shè)想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。

經(jīng)過多次嘗試，團隊發(fā)現(xiàn)，可以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，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(yīng)，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(yīng)。

采訪對象提供

“鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)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，科學家們要么嘗試改變鈣鈦礦組分和結(jié)晶性，要么設(shè)計控制鈣鈦礦表面分子結(jié)構(gòu)，然而卻收效甚微。”在給鈣鈦礦材料加上了石墨烯后，石墨烯-聚合物雙層結(jié)構(gòu)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(chǔ)研究特區(qū)等項目資金的支持。