團隊成員在測試鈣鈦礦太陽能電池光電性能。 受訪者供圖
相對于晶硅電池，鈣鈦礦太陽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，器件不穩定性是限制其產業化發展的首要挑戰。
鈣鈦礦太陽電池結構由五層組成，從上至下分別為導電玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦、電子傳輸層、金屬電極。此前科學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定性，但仍難達到實際應用需求。
“我們發現，在水、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。”侯宇介紹，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的視角，最終，他們通過石墨烯-聚合物耦合界面，實現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，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伸縮效應。
通過動態結構演變實驗和計算模型相結合，研究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，太陽電池在標準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”戰略，已在新型光伏領域取得系列研究成果，如建立了一套理論設計及精準篩選太陽能電池關鍵功能材料的通用方法，突破傳統材料合成的瓶頸，開發出一系列高性能、穩定的光電功能晶態材料，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境穩定性，等等。
華東理工大學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與工程學院博士研究生李慶，該研究工作得到了華東理工大學楊化桂教授的悉心指導，上海大學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基金、上海市基礎研究特區等項目資金的支持。(完)
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