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)。
鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)由五層組成，從上至下分別為導(dǎo)電玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦、電子傳輸層、金屬電極。此前科學(xué)家們嘗試了多種方法試圖提升處于核心的鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，但仍難達到實際應(yīng)用需求。
“我們發(fā)現(xiàn)，在水、光、熱、電等常見因素外，鈣鈦礦材料內(nèi)部的動態(tài)局域應(yīng)力是誘發(fā)材料分解的重要原因，這就是光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)。”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(yīng)，膨脹比例可超過1%，這將導(dǎo)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。
“光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，為團隊理解鈣鈦礦材料的退化機制提供了新的視角，最終，他們通過石墨烯-聚合物耦合界面，實現(xiàn)了鈣鈦礦光伏工況壽命新突破。
侯宇說，得益于石墨烯出色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)。
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、高溫及真空條件等環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。基于這一設(shè)計，太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下工作的T97壽命達到了3670小時。
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(lǐng)域取得系列研究成果，如建立了一套理論設(shè)計及精準(zhǔn)篩選太陽能電池關(guān)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。
華東理工大學(xué)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，第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生李慶，該研究工作得到了華東理工大學(xué)楊化桂教授的悉心指導(dǎo)，上海大學(xué)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(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項目資金的支持。(完)
