3670小時！華東理工大學，發表今年首篇Science！
米測MeLab
納米人
2025-03-11
編輯總結
本研究通過使用聚合物將單層石墨烯與鈣鈦礦晶格結合，可以減少光致膨脹及由此造成的太陽能電池損傷。該工作表明，使用該雙層結構的機械增強作用將操作過程中的變形比降低了四倍，并且減少了離子遷移。采用該雙層結構的太陽能電池在90°C下最大功率點操作3670小時后，保持了超過97%的初始光電轉換效率，且效率超過25%?！狿hil Szuromi研究背景
鈣鈦礦薄膜在電場、溫度和光照的作用下發生晶格變形和結構演變，這限制了太陽能電池的操作耐久性。針對這一問題，華東理工大學侯宇教授、楊雙教授等合作在Science期刊上發表了題為“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的最新論文。作者通過將聚合物耦合的單層石墨烯界面與鈣鈦礦薄膜集成，增強了其機械性能，顯著提高了薄膜的模量和硬度。石墨烯與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的協同作用限制了光致晶格膨脹，將變形比從0.31%降至0.08%，最大程度地減少了動態晶格演化帶來的結構損傷。在全光譜1.5全球（AM1.5 G）陽光照射下，太陽能電池在90°C下進行最大功率點追蹤超過3670小時后，保持了初始光電轉換效率的97%以上。 研究亮點
- 實驗首次發現鈣鈦礦太陽能電池的不穩定性源于光機械誘導分解效應，并提出了通過石墨烯-聚合物復合材料增強鈣鈦礦材料的新方法，顯著提高了其穩定性。
- 實驗通過將單層石墨烯與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）結合，增強了鈣鈦礦薄膜的機械強度，減少了光照引起的晶格膨脹。該雙層結構的界面能夠將鈣鈦礦晶格的變形比從0.31%降低至0.08%，有效抑制了晶界附近的損傷。
- 實驗表明，通過這一新型界面結構，太陽能電池器件的光電轉換效率（PCE）超過24%，并且在模擬的AM 1.5G光照和90°C下的最大功率點（MPP）操作3670小時后，保持了超過97%的初始PCE。
圖文解讀
圖 1. 石墨烯-聚合物耦合雙層界面結構，實現兼具高強度、高韌性以及優異電荷輸運特性的鈣鈦礦薄膜材料結論展望
本研究發現，環境應力下的晶格變形是鈣鈦礦多晶薄膜晶界損傷和結構退化的一個重要因素，而這一點在該領域長期以來被忽視。作者表明，通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合的單層石墨烯界面協同作用，可以抑制這種軟晶格動態，從而賦予鈣鈦礦薄膜高模量、大硬度、反彈彈性、緊密連接和物理保護等機械性能。石墨烯和PMMA在鈣鈦礦層的機械增強中是必不可少的，石墨烯作為增強基材，而PMMA作為粘結介質。通過實驗觀察與計算模型的結果，作者展示了這種混合界面在工作條件下控制晶格變形和橫向離子遷移的有效性。因此，這種混合界面使得高效鈣鈦礦器件在各種環境下，如光照、高溫、空氣環境和真空中，長期穩定運行。 由于鈣鈦礦材料本身脆弱，采用緊密耦合且堅韌的石墨烯，這一方法有望解決應力引起的損傷和裂紋傳播問題，特別是在柔性器件中。隨著二維材料的發展，這一策略可與大面積石墨烯轉移兼容，并已應用于制造厘米級的鈣鈦礦器件。作者的研究為鈣鈦礦太陽能電池在實際操作中的動態結構損傷提供了基本理解，并為克服穩定性問題、推動鈣鈦礦器件的工業生產和應用開辟了更多可能性。Qing Li et al. ,Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells.Science387,1069-1077(2025).DOI:10.1126/science.adu5563
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