相對于晶硅電池，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，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，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)。
3月7日，華東理工大學(xué)材料學(xué)院清潔能源材料與器件團隊侯宇教授、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，制備的太陽能電池器件在標準太陽光照及高溫下的T97工作壽命創(chuàng)下3670小時新紀錄，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。
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。
“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)。”據(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。
據(jù)侯宇介紹，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。為了提升處于核心的鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，科學(xué)家們要么嘗試改變鈣鈦礦組分和結(jié)晶性，要么設(shè)計控制鈣鈦礦表面分子結(jié)構(gòu)，然而卻收效甚微。
“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的視角，并為進一步提高其穩(wěn)定性提供了重要思路。
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