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。
北京时间3月7日凌晨，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《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。
“我们发现，在水、光、热、电等常见因素外，钙钛矿材料内部的动态局域应力是诱发材料分解的重要原因，这就是光机械诱导分解效应。”据侯宇教授介绍，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。
“光机械诱导分解效应”的发现，为团队理解钙钛矿材料的退化机制提供了新的视角，并为进一步提高其稳定性提供了重要思路。
石墨烯具有超高模量（约1 TPa），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。有没有可能借用石墨烯这个“外援”，来提升钙钛矿的稳定性呢？然而，石墨烯与钙钛矿并不兼容，如何实现？
侯宇介绍说，得益于石墨烯出色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。“研究表明，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。”
多年来，清洁能源材料与器件团队聚焦国家“双碳”战略，已在新型光伏领域取得系列研究成果，如建立了一套理论设计及精准筛选太阳能电池关键功能材料的通用方法，突破传统材料合成的瓶颈，开发出一系列高性能、稳定的光电功能晶态材料，提出光伏器件表面分子功能化新方法，显著提升太阳电池的环境稳定性，等等。
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博士研究生李庆，该研究工作得到了华东理工大学杨化桂教授的悉心指导，上海大学郑祎初副研究员在理论模拟方面提供了重要支持。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。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu5563
