鈣鈦礦太陽(yáng)電池作為一種新型光伏技術(shù)，具有高效率、低成本、柔性與輕量化等優(yōu)勢(shì)，在解決能源與環(huán)境問題方面意義重大。然而，其不穩(wěn)定性成為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要障礙。上海的科研團(tuán)隊(duì)在這方面取得了新進(jìn)展。

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)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，揭示了鈣鈦礦光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機(jī)制——光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)，并提出一種石墨烯-聚合物機(jī)械增強(qiáng)鈣鈦礦材料的新方法。這種方法制備的太陽(yáng)能電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照及高溫下的T97工作壽命達(dá)到3670小時(shí)，為鈣鈦礦太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的解決方案。

鈣鈦礦材料表現(xiàn)出軟晶格特性，在水氧、光照、高溫和電場(chǎng)等因素作用下容易發(fā)生化學(xué)分解及結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致器件效率下降。研究發(fā)現(xiàn)，這些因素首先在材料內(nèi)部產(chǎn)生局域應(yīng)力，這種“動(dòng)態(tài)應(yīng)力”是誘發(fā)材料分解的主要原因。在太陽(yáng)光照下，鈣鈦礦材料會(huì)顯著膨脹，超過1%，這會(huì)導(dǎo)致晶體之間的擠壓并在晶界附近積累局部應(yīng)力，加速缺陷形成，從而影響電池性能。

為了提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，以往的研究嘗試改變其組分和結(jié)晶性或控制表面分子結(jié)構(gòu)，但效果有限。此次研究通過引入石墨烯作為增強(qiáng)材料來提高鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性。石墨烯具有超高模量（約1 TPa），且均勻致密、耐機(jī)械疲勞和化學(xué)穩(wěn)定。盡管石墨烯與鈣鈦礦本身并不兼容，但通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯(lián)方式，可以將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面，實(shí)現(xiàn)兩者的高均勻度、多功能性集成。

石墨烯-聚合物雙層結(jié)構(gòu)使鈣鈦礦薄膜的模量和硬度提高了兩倍，并顯著限制了光照條件下的晶格動(dòng)態(tài)伸縮效應(yīng)。研究表明，該結(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的材料破壞。通過動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型驗(yàn)證，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，確保鈣鈦礦器件在光照、高溫及真空條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

這項(xiàng)工作揭示了光伏性能退化的未知關(guān)鍵因素——光機(jī)械作用，從根本上理解了鈣鈦礦薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的動(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)用提供了新的思路。