在太陽能電池領域，相對於傳統的晶硅電池，新興的鈣鈦礦電池具有轉化效率高、低成本、柔性與輕量化等優勢，是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，器件不穩定性成為限制其產業化發展的首要挑戰。
難道鈣鈦礦電池天生“命短”，無法後天“增壽”嗎？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、楊雙教授等人在國際頂尖期刊《科學（science）》發表最新研究成果。該研究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，其製備的太陽能電池器件有效壽命創造了國際上同類實驗的新紀錄。
據悉，這兩位85後教授帶領團隊製備的鈣鈦礦電池新器件成功實現“抗衰老”，在標準太陽光照及高溫下的t97（效率保持97%）的工作壽命，創下3670小時約合153天的新紀錄，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。
【光伏器件“怕光變老”】
你或許想不到，鈣鈦礦電池居然有“怕見光”的天性。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。
“我們發現，在水、光、熱、電等常見因素外，鈣鈦礦材料內部的動態局域應力，成為誘發材料分解的重要原因，這就是‘光機械’誘導分解效應。”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%，這導致鈣鈦礦晶體之間的擠壓，並在晶界附近積累着局部應力，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。
在這種類似“光熱形變”的圖解中，楊雙告訴解放日報·上觀新聞記者，鈣鈦礦電池的結構由5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。為了提升處於核心的鈣鈦礦材料穩定性，科學家們要麼嘗試改變鈣鈦礦組分和結晶性，要麼設計控制鈣鈦礦表面的分子結構，但仍難滿足實際應用要求。此番“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，也為進一步提高其穩定性提供了重要思路。
【諾獎材料加持穩住】
那麼，怎麼在微觀層面上為鈣鈦礦“強健筋骨”？團隊找到了神奇的諾獎級二維材料——石墨烯。論模量，也就是材料抵抗變形能力的物理量，石墨烯具有超高模量，是鈣鈦礦材料模量的50到100倍，且具有均勻緻密、耐機械疲勞和化學穩定的優點。有沒有可能藉助石墨烯這個“外援”，來提升鈣鈦礦的穩定性呢？然而，石墨烯與鈣鈦礦並不兼容，又該如何“穩住”？
經過多次嘗試，華理團隊發現，可以利用與塑料相近的“聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）”聚合物，通過界面耦聯方式，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，一種新型的太陽鈣鈦礦電池器件形成了。
據測算，得益於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，並顯著限制了在光照條件下的晶格動態伸縮效應。石墨烯-聚合物雙層結構將晶格變形率從+0.31%降至+0.08%，有效減少了晶界附近由膨脹引起的材料破壞，進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。
【光伏工況壽命大增】
多年來，這支清潔能源材料與器件團隊聚焦國家“雙碳”戰略，在新型光伏領域取得系列研究成果。他們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，突破傳統材料合成的瓶頸，開發出一系列高性能、更穩定的光電功能晶態材料，提出了光伏器件表面分子功能化新方法，顯著提升了太陽電池的環境穩定性。
對於運用石墨烯-聚合物耦合界面實現鈣鈦礦光伏工況壽命新突破，侯宇認為，這項工作最大的意義在於揭示了光伏性能退化的未知關鍵因素——“光機械作用”，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。通過石墨烯“加層”強化，經過後續成果向光伏產業轉化，鈣鈦礦電池組件的使用壽命有望大幅延長。
題為“graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的《科學》發文，以華東理工大學為唯一通訊單位，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。同時該研究得到華東理工大學楊化桂教授悉心指導，上海大學鄭禕初副研究員也對理論模擬提供了重要支持。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支持。
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