華東理工大學(xué)最新科研成果打破鈣鈦礦電池“短命”魔咒

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 任朝霞）日前，華東理工大學(xué)材料學(xué)院侯宇教授、楊雙教授團隊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(dǎo)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，為克服鈣鈦礦電池穩(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。北京時間3月7日凌晨，相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

相較于晶硅電池，鈣鈦礦太陽能電池具有轉(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，作為光伏電池的關(guān)鍵成分，鈣鈦礦材料在水氧、光照、高溫和電場等環(huán)境因素作用下容易發(fā)生化學(xué)分解及結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致器件效率大幅下降，器件不穩(wěn)定性成了限制鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的首要挑戰(zhàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)，除水、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)?！睋?jù)侯宇教授介紹，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視角，并為進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性提供了重要思路。

能不能用“極硬”的石墨烯來提升鈣鈦礦的穩(wěn)定性呢？團隊經(jīng)過多次嘗試，通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯(lián)方式，將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面，制成了一個新型太陽能鈣鈦礦電池器件。通過動態(tài)結(jié)構(gòu)演變實驗和計算模型相結(jié)合，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，太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下工作的T97壽命（器件仍能保持初始效率的97%以上）達(dá)到了3670小時（約153天）。

作者：任朝霞