鈣鈦礦太陽(yáng)電池作為極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)，具有效率高、成本低、柔性與輕量化等優(yōu)勢(shì)，對(duì)解決能源與環(huán)境問(wèn)題具有重要意義，然而，器件不穩(wěn)定性成為限制其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的首要挑戰(zhàn)。如何提升器件的穩(wěn)定性、打破鈣鈦礦電池“短命”魔咒？來(lái)自上海的科研團(tuán)隊(duì)有了新的突破。
北京時(shí)間3月7日凌晨，華東理工大學(xué)材料學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)侯宇教授、楊雙教授等人在Science（《科學(xué)》）發(fā)表題為“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的最新研究成果。該研究率先揭示了新型光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機(jī)制——光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)，創(chuàng)新性地提出石墨烯-聚合物機(jī)械增強(qiáng)鈣鈦礦材料的新方法，制備的太陽(yáng)能電池器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照及高溫下的T97工作壽命創(chuàng)下3670小時(shí)新紀(jì)錄，該研究成果將為鈣鈦礦太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供全新解決方案。
《科學(xué)》期刊發(fā)表清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)最新研究成果
鈣鈦礦太陽(yáng)電池的器件為何不穩(wěn)定？侯宇介紹，作為光伏電池的關(guān)鍵組分，鈣鈦礦材料表現(xiàn)出典型的軟晶格特性，在水氧、光照、高溫和電場(chǎng)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。
“傳統(tǒng)理論認(rèn)為，光、熱等因素直接引起鈣鈦礦的氧化還原、離子遷移等分解行為。我們發(fā)現(xiàn)，上述因素首先在材料內(nèi)導(dǎo)致局域應(yīng)力，而這類(lèi)‘動(dòng)態(tài)應(yīng)力’才是誘發(fā)材料分解的元兇，這就是光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)。”據(jù)侯宇介紹，在太陽(yáng)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(guò)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，從而造成鈣鈦礦電池的性能損失。
侯宇介紹，鈣鈦礦太陽(yáng)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。為了提升處于核心的鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，以往科學(xué)家們嘗試改變鈣鈦礦組分和結(jié)晶性，或設(shè)計(jì)控制鈣鈦礦表面分子結(jié)構(gòu)，但仍難達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
“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，并為進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性提供了重要思路。
如何提升鈣鈦礦的穩(wěn)定性？團(tuán)隊(duì)找到了石墨烯這個(gè)“外援”。石墨烯具有超高模量（約1 TPa），是鈣鈦礦材料模量的50~100倍，且具有均勻致密、耐機(jī)械疲勞和化學(xué)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
事實(shí)上，石墨烯與鈣鈦礦本身并不兼容，但經(jīng)過(guò)多次嘗試，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)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，從而實(shí)現(xiàn)兩者的高均勻度、多功能性集成。由此，一個(gè)新型太陽(yáng)鈣鈦礦電池器件形成了。
石墨烯-聚合物耦合雙層界面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兼具高強(qiáng)度、高韌性以及優(yōu)異電荷輸運(yùn)特性的鈣鈦礦薄膜材料。
侯宇介紹說(shuō)，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)。“研究表明，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。”
通過(guò)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(yáng)電池在在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照及高溫下工作的T97壽命達(dá)到了3670小時(shí)。
石墨烯-聚合物耦合界面實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏工況壽命的新突破
對(duì)于通過(guò)石墨烯-聚合物耦合界面實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏工況壽命新突破這項(xiàng)工作，侯宇認(rèn)為，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(jī)械作用”，這從根本上理解了鈣鈦礦薄膜在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)損傷及其強(qiáng)化調(diào)控原理，為克服穩(wěn)定性瓶頸、推動(dòng)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。
團(tuán)隊(duì)成員在測(cè)試鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電性能
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。