登国际顶刊！中国钙钛矿电池寿命新突破，高转化低成本光伏技术“抗衰老”成功

在太阳能电池领域，相对于传统的晶硅电池，新兴的钙钛矿电池具有转化效率高、低成本、柔性与轻量化等优势，是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，器件不稳定性成为限制其产业化发展的首要挑战。

一枚钙钛矿电池新器件。

难道钙钛矿电池天生“命短”，无法后天“增寿”吗？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、杨双教授等人在国际顶尖期刊《科学（Science）》发表最新研究成果。该研究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，其制备的太阳能电池器件有效寿命创造了国际上同类实验的新纪录。

据悉，这两位85后教授带领团队制备的钙钛矿电池新器件成功实现“抗衰老”，在标准太阳光照及高温下的T97（效率保持97%）的工作寿命，创下3670小时约合153天的新纪录，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。

电池器件样品。

【光伏器件“怕光变老”】

你或许想不到，钙钛矿电池居然有“怕见光”的天性。作为光伏电池的关键组分，钙钛矿材料表现出典型的软晶格特性，在水氧、光照、高温和电场等环境因素作用下，容易发生化学分解及结构退化，导致器件效率大幅下降。

“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，成为诱发材料分解的重要原因，这就是‘光机械’诱导分解效应。”侯宇介绍，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%，这导致钙钛矿晶体之间的挤压，并在晶界附近积累着局部应力，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。

杨双教授解析结构。

在这种类似“光热形变”的图解中，杨双告诉解放日报·上观新闻记者，钙钛矿电池的结构由5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的分子结构，但仍难满足实际应用要求。此番“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，也为进一步提高其稳定性提供了重要思路。

单层石墨烯-聚合物耦合双层界面结构，实现兼具高强度、高韧性以及优异电荷输运特性的钙钛矿薄膜材料。

【诺奖材料加持稳住】

那么，怎么在微观层面上为钙钛矿“强健筋骨”？团队找到了神奇的诺奖级二维材料——石墨烯。论模量，也就是材料抵抗变形能力的物理量，石墨烯具有超高模量，是钙钛矿材料模量的50到100倍，且具有均匀致密、耐机械疲劳和化学稳定的优点。有没有可能借助石墨烯这个“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，又该如何“稳住”？

经过多次尝试，华理团队发现，可以利用与塑料相近的“聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）”聚合物，通过界面耦联方式，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。由此，一种新型的太阳钙钛矿电池器件形成了。

论文第一作者、博士生李庆在实验中。

据测算，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。石墨烯-聚合物双层结构将晶格变形率从+0.31%降至+0.08%，有效减少了晶界附近由膨胀引起的材料破坏，进而确保钙钛矿器件在光照、高温及真空条件等环境下的长期稳定性。

石墨烯-聚合物耦合界面实现钙钛矿光伏工况寿命的新突破。

【光伏工况寿命大增】

多年来，这支清洁能源材料与器件团队聚焦国家“双碳”战略，在新型光伏领域取得系列研究成果。他们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、更稳定的光电功能晶态材料，提出了光伏器件表面分子功能化新方法，显著提升了太阳电池的环境稳定性。

在实验室制备的样片。

对于运用石墨烯-聚合物耦合界面实现钙钛矿光伏工况寿命新突破，侯宇认为，这项工作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”，从根本上理解了钙钛矿薄膜在实际应用过程中出现的动态结构损伤及其强化调控原理，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。通过石墨烯“加层”强化，经过后续成果向光伏产业转化，钙钛矿电池组件的使用寿命有望大幅延长。

题为“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的《科学》发文，以华东理工大学为唯一通讯单位，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。同时该研究得到华东理工大学杨化桂教授悉心指导，上海大学郑祎初副研究员也对理论模拟提供了重要支持。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支持。

原标题：登国际顶刊！中国钙钛矿电池寿命新突破，高转化低成本光伏技术“抗衰老”成功

图片来源：均 本报记者 徐瑞哲 摄

题图说明：钙钛矿电池新器件

来源：作者：解放日报 徐瑞哲