打破钙钛矿电池“短命”魔咒 华理科研成果登上《科学》

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Science（《科学》）发表题为“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的最新研究成果。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。

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。

据侯宇介绍，钙钛矿太阳电池结构由五层组成，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的稳定性，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分子结构，然而却收效甚微。

“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。

图1. 钙钛矿多晶薄膜的“光机械效应”；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

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？

经过多次尝试，团队发现，可以通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦联方式，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，一个新型太阳钙钛矿电池器件形成（图1）。

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。”

通过动态结构演变实验和计算模型相结合，研究团队验证了该耦合界面结构在工作条件下能够有效抑制晶格变形以及横向离子扩散，从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。基于这一设计，太阳电池在在标准太阳光照及高温下工作的T97寿命达到了3670小时（图2）。

图2. 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

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。

对于通过石墨烯-聚合物耦合界面实现钙钛矿光伏工况寿命新突破这项工作，侯宇认为，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。

据介绍，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。