石墨烯助力我国光伏电池寿命研究取得突破

作为光伏电池的关键组分，钙钛矿太阳电池具有转化效率高、低成本、柔性与轻量化等优势，是一类极具应用前景的新型光伏技术。不过，钙钛矿材料容易发生化学分解及结构退化，导致器件效率大幅下降，如何让它延长“寿命”也是业内人士想攻克的难题。

北京时间3月7日，华东理工大学材料学院清洁能源材料与器件团队侯宇教授、杨双教授等人在Science（《科学》）发表最新研究成果，该研究率先揭示了新型光伏不稳定性的关键机制——光机械诱导分解效应，提出石墨烯-聚合物机械增强钙钛矿材料的新方法，制备的太阳能电池器件在标准太阳光照及高温下的T97工作寿命创下3670小时新纪录，该研究成果将为钙钛矿太阳电池的产业化应用提供全新解决方案。

研究团队介绍，对于“怕见光”的钙钛矿材料来说，这个发现最大的意义在于揭示了光伏性能退化的未知关键因素——“光机械作用”。

金叶子／摄

“在太阳光照下，钙钛矿材料表现出显著的光致伸缩效应，膨胀比例可超过1%，这将导致钙钛矿晶体之间的挤压，并在晶界附近积累局部应力，加速了晶界区域的缺陷形成，造成了钙钛矿电池的性能损失。”侯宇说，因此，这个发现也为克服稳定性瓶颈、推动钙钛矿器件的工业化生产和应用提供了新的解决方案。

而这个研究发现，要归功于石墨烯这个“外援”。

杨双对第一财经记者解释，相对于晶硅电池，钙钛矿太阳电池具有转化效率高、低成本、柔性与轻量化等优势，是一类极具应用前景的新型光伏技术，对解决能源与环境问题具有重要意义，然而，器件不稳定性是限制其产业化发展的首要挑战。而石墨烯具有超高模量，是钙钛矿材料模量的50~100倍，且具有均匀致密、耐机械疲劳和化学稳定的优点。团队就在设想有没有可能借用石墨烯这个“外援”，来提升钙钛矿的稳定性。

经过多次尝试，团队发现，可以将单层整片石墨烯组装到钙钛矿薄膜表面，从而实现两者的高均匀度、多功能性集成，组成一个新型太阳钙钛矿电池器件。

侯宇介绍，得益于石墨烯的机械性能和聚合物的耦合效应，钙钛矿薄膜的模量和硬度提高了两倍，并显著限制了在光照条件下的晶格动态伸缩效应。

采访对象提供

“钙钛矿太阳电池结构由五层组成，从上至下分别为导电玻璃、空穴传输层、钙钛矿、电子传输层、金属电极。为了提升处于核心的钙钛矿材料的稳定性，科学家们要么尝试改变钙钛矿组分和结晶性，要么设计控制钙钛矿表面分子结构，然而却收效甚微。”在给钙钛矿材料加上了石墨烯后，石墨烯-聚合物双层结构将晶格变形率从 0.31%下降至 0.08%，有效减少了晶界附近由膨胀引起的材料破坏。

这篇题为“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的研究成果，华东理工大学为该工作的唯一通讯单位，通讯作者为侯宇教授和杨双教授，第一作者为材料学院“95后“博士研究生李庆，研究工作还得到了国家自然科学基金、上海市基础研究特区等项目资金的支持。

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