相較于晶硅電池，鈣鈦礦太陽電池具有轉(zhuǎn)化效率高、成本低、輕量化等優(yōu)勢，是極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)，但器件的不穩(wěn)定性是限制其產(chǎn)業(yè)化的首要挑戰(zhàn)。

記者從華東理工大學(xué)獲悉，該校清潔能源材料與器件團隊的一項研究發(fā)現(xiàn)，“光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)”是新型光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機制，并提出了石墨烯—聚合物機械增強鈣鈦礦材料的新方法，據(jù)此制備的新器件打破了鈣鈦礦太陽電池的“短命”魔咒。該研究為鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化提供了新的解決方案，相關(guān)成果7日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

鈣鈦礦材料是鈣鈦礦太陽電池的關(guān)鍵組分。“光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)”是指該材料內(nèi)部的動態(tài)局域應(yīng)力誘發(fā)材料發(fā)生分解。科研團隊負責人侯宇教授介紹，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%，這會導(dǎo)致鈣鈦礦晶體間的擠壓，并在晶界附近積累局部應(yīng)力，加速晶界區(qū)域的缺陷形成，造成鈣鈦礦電池的性能損失。

為提升鈣鈦礦材料穩(wěn)定性，科學(xué)家此前嘗試過設(shè)計控制材料表面分子結(jié)構(gòu)等多種方法，但仍難滿足實際應(yīng)用需求。“光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，為解決這一難題帶來了新思路。

據(jù)介紹，同等外力作用下，石墨烯形變的程度僅為鈣鈦礦材料的1%至2%，且具有均勻致密、耐機械疲勞和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點。借助石墨烯就能提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。“得益于石墨烯出色的機械性能和聚合物的耦合效應(yīng)，石墨烯—聚合物雙層結(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由膨脹引起的材料破壞。”侯宇說。

動態(tài)結(jié)構(gòu)演變實驗和模型計算證實，這一新型鈣鈦礦太陽電池器件在工作條件下能有效抑制晶格變形和橫向離子擴散。例如，在標準太陽光照及高溫下工作3670小時后，器件仍能保持初始效率的97%以上。