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          借助石墨烯“外援”,我國最新研究成果打破光伏電池“短命”魔咒

          第一財經(jīng) 2025-03-07 15:25:18 聽新聞

          作者:金葉子    責編:劉展超

          如何讓鈣鈦礦太陽延長“壽命”也是業(yè)內(nèi)人士想攻克的難題。

          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。

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