華東理工大學最新科研成果打破鈣鈦礦電池“短命”魔咒

中國教育報-中國教育新聞網訊（記者 任朝霞）日前，華東理工大學材料學院侯宇教授、楊雙教授團隊率先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，為克服鈣鈦礦電池穩定性瓶頸、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。北京時間3月7日凌晨，相關研究成果發表于《科學》雜志。

相較于晶硅電池，鈣鈦礦太陽能電池具有轉化效率高、低成本、柔性與輕量化等優勢，是一類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，作為光伏電池的關鍵成分，鈣鈦礦材料在水氧、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，器件不穩定性成了限制鈣鈦礦太陽能電池產業化發展的首要挑戰。

“我們發現，除水、光、熱、電等常見因素外，鈣鈦礦材料內部的動態局域應力是誘發材料分解的重要原因，這就是光機械誘導分解效應。”據侯宇教授介紹，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%，這將導致鈣鈦礦晶體之間的擠壓，并在晶界附近積累局部應力，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。 

“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視角，并為進一步提高其穩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定性呢？團隊經過多次嘗試，通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯方式，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。通過動態結構演變實驗和計算模型相結合，團隊驗證了該耦合界面結構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境下的長期穩定性。基于這一設計，太陽能電池在標準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）達到了3670小時（約153天）。