中新網(wǎng)上海3月7日電 (記者 許婧)北京時(shí)間3月7日，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)侯宇教授、楊雙教授等在知名期刊Science(《科學(xué)》)上發(fā)表了最新研究成果，率先揭示了新型光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機(jī)制——光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)，提出石墨烯-聚合物機(jī)械增強(qiáng)鈣鈦礦材料的新方法，制備的太陽能電池器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下的T97(指器件仍能保持初始效率的97%以上)工作壽命達(dá)到3670小時(shí)，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。
團(tuán)隊(duì)成員在測(cè)試鈣鈦礦太陽能電池光電性能?！∈茉L者供圖相對(duì)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(shì)，是一類極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)，對(duì)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(dá)到實(shí)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(dòng)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(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)?！焙钣罱榻B，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(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，為團(tuán)隊(duì)理解鈣鈦礦材料的退化機(jī)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(shí)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(jī)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(dòng)態(tài)伸縮效應(yīng)。
通過動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)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(kuò)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。基于這一設(shè)計(jì)，太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下工作的T97壽命達(dá)到了3670小時(shí)。
多年來，清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)聚焦國(guó)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(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目資金的支持。(完)