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鈣鈦礦太(tai)陽電(dian)池作為(wei)極具(ju)(ju)應用前景的新型光伏技術，具(ju)(ju)有效率高、成本低、柔(rou)性(xing)與輕量化等優勢，對解(jie)決能(neng)源與環境(jing)問(wen)題(ti)具(ju)(ju)有重要意義，然而，器(qi)件不穩定(ding)性(xing)是限制其(qi)產(chan)業化發展的首要挑戰。
北京(jing)時間(jian)3月7日凌晨，華東理工(gong)大學材料(liao)學院清潔能(neng)源材料(liao)與器(qi)件團隊(dui)侯(hou)宇(yu)教授、楊雙(shuang)教授等人在Science(《科(ke)學》)發(fa)(fa)表題為“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的(de)(de)(de)最(zui)新研究(jiu)成果(guo)。該研究(jiu)發(fa)(fa)現(xian)了鈣鈦(tai)礦光(guang)伏(fu)不(bu)穩定性的(de)(de)(de)關(guan)鍵機(ji)(ji)制——光(guang)機(ji)(ji)械(xie)誘(you)導分解效應(ying)，提出(chu)石(shi)墨烯-聚(ju)合物機(ji)(ji)械(xie)增強鈣鈦(tai)礦材料(liao)的(de)(de)(de)新方法，制備的(de)(de)(de)太陽能(neng)電池器(qi)件在標(biao)準太陽光(guang)照及高溫下的(de)(de)(de)T97工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)創下3670小(xiao)時新紀錄，該研究(jiu)成果(guo)將為鈣鈦(tai)礦太陽電池的(de)(de)(de)產業化應(ying)用(yong)提供全新解決方案。
圖1. 《科(ke)學》期刊發表清(qing)潔(jie)能源(yuan)材料與器件(jian)團(tuan)隊最新研(yan)究成果
作為(wei)光伏電池的關(guan)鍵組分(fen)，鈣鈦礦材料表(biao)現出(chu)典型的軟晶(jing)格特(te)性(xing)，在水氧、光照、高(gao)溫和電場等環境(jing)因素作用下，容易發生(sheng)化學分(fen)解及結構退化，導(dao)致器(qi)件效(xiao)率大幅下降。
“傳統理論認為，光、熱等(deng)因素直接(jie)引起鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)的(de)氧化還原、離子(zi)遷移(yi)等(deng)分解(jie)行為。我們發現(xian)，上(shang)述因素首先(xian)在材料(liao)內導(dao)致(zhi)(zhi)局域(yu)應(ying)力，而這類‘動態應(ying)力’才是誘發材料(liao)分解(jie)的(de)元兇，這就(jiu)是光機械誘導(dao)分解(jie)效(xiao)應(ying)。”據侯宇介紹，在太陽光照下，鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)材料(liao)表現(xian)出(chu)顯著的(de)光致(zhi)(zhi)伸縮效(xiao)應(ying)，膨(peng)脹比(bi)例可(ke)超過1%，這將導(dao)致(zhi)(zhi)鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)晶(jing)(jing)體之間的(de)擠(ji)壓，并在晶(jing)(jing)界附近積(ji)累局部應(ying)力，加速了晶(jing)(jing)界區域(yu)的(de)缺(que)陷形(xing)成，造成了鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)電池的(de)性能(neng)損失。
鈣鈦(tai)礦(kuang)太陽(yang)電池結構(gou)一(yi)般由五層組成，從上至(zhi)下分別為導電玻璃、空穴傳(chuan)輸層、鈣鈦(tai)礦(kuang)、電子(zi)傳(chuan)輸層、金屬電極。為了(le)提升(sheng)處于(yu)核心的(de)鈣鈦(tai)礦(kuang)材料的(de)穩定(ding)(ding)性(xing)，科學家們嘗試(shi)改變鈣鈦(tai)礦(kuang)組分和結晶性(xing)，或(huo)設計控制鈣鈦(tai)礦(kuang)表面分子(zi)結構(gou)，但仍(reng)難(nan)達到商業(ye)化應用標準。“光機械(xie)誘導分解效(xiao)應”的(de)發現，為理解鈣鈦(tai)礦(kuang)材料的(de)退化機制提供了(le)新(xin)的(de)視角，并為進一(yi)步提高(gao)其穩定(ding)(ding)性(xing)提供了(le)重要思路(lu)。
石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯具有超高模量(約1 TPa)，是(shi)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)材料模量的50~100倍，且具有均勻致密、耐機械疲勞(lao)和(he)化學穩定(ding)(ding)的優(you)點。有沒(mei)有可能借用石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯這個(ge)“外援”，來提升鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)的穩定(ding)(ding)性(xing)呢?然而，石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯與鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)并(bing)不兼容，如何(he)實現是(shi)一大難題。
經(jing)過(guo)多次(ci)嘗試，團隊發現，可以(yi)通過(guo)聚(ju)(ju)甲基(ji)丙(bing)烯酸甲酯(zhi)(PMMA)聚(ju)(ju)合物界面耦聯(lian)方式，將單層整(zheng)片石(shi)墨烯組裝到鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)薄膜表(biao)面，從而實(shi)現兩者的(de)高均勻度、多功能性集成(cheng)。由此，一個新型(xing)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)太陽能電池器件形成(cheng)(圖2)。
圖2. 石(shi)墨烯-聚合(he)物耦合(he)雙(shuang)層界(jie)面結構，實(shi)現(xian)兼具高強度、高韌性以(yi)及優異電荷輸運特性的鈣鈦礦薄膜(mo)材料(liao)
得益于石墨(mo)烯出色的機械性能和聚合物(wu)的耦合效應，鈣鈦礦薄膜的模量和硬度提(ti)高了兩倍，并顯著限制(zhi)了在光照條(tiao)件(jian)下的晶(jing)(jing)格(ge)(ge)動態(tai)伸縮效應。研(yan)究(jiu)表明，石墨(mo)烯-聚合物(wu)雙層結構將晶(jing)(jing)格(ge)(ge)變形(xing)率(lv)從+0.31%降低至+0.08%，有效減少(shao)了晶(jing)(jing)界(jie)附近由膨脹引起的材料破壞。
通過動態結構演(yan)變實驗(yan)和計(ji)算(suan)模型(xing)相(xiang)結合，研究團(tuan)隊驗(yan)證了該耦合界面(mian)結構在工作條件下，能(neng)夠(gou)有效抑(yi)制晶格變形以及橫(heng)向離子(zi)擴散(san)，從而確保(bao)鈣鈦(tai)礦(kuang)器(qi)件在光照(zhao)、高溫及真(zhen)空(kong)等環境(jing)下的長期穩(wen)定性。基(ji)于這(zhe)一設計(ji)，太陽(yang)電池在標準太陽(yang)光照(zhao)及高溫(90℃)條件下，T97工作壽命(效率衰減至97%)達(da)到3670小(xiao)時(shi)(圖3)。
圖(tu)3. 石墨烯-聚合物(wu)耦合界(jie)面實現鈣鈦礦太陽能電(dian)池工況壽命的新(xin)突破
多年來，清(qing)潔能(neng)源材(cai)(cai)料(liao)與(yu)器件團隊(dui)聚(ju)焦國家(jia)“雙碳”戰略，已在新型(xing)光伏(fu)領域取得系列(lie)研究成(cheng)果，如建立(li)了一套理論設計及精準篩選太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)關鍵(jian)功能(neng)材(cai)(cai)料(liao)的通用(yong)方法，突破傳統材(cai)(cai)料(liao)合成(cheng)的瓶頸，開發出(chu)一系列(lie)高性(xing)(xing)能(neng)、穩定的光電(dian)功能(neng)晶態(tai)材(cai)(cai)料(liao)，提出(chu)光伏(fu)器件表面(mian)分子功能(neng)化新方法，顯(xian)著提升太陽(yang)電(dian)池(chi)的環境(jing)穩定性(xing)(xing)，等(deng)等(deng)。
對于通過石墨烯-聚合物(wu)耦合界(jie)面實(shi)現鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)光(guang)伏工(gong)況壽命新突破，侯宇認為，該研究成果的重(zhong)要意義在(zai)于揭示了(le)光(guang)伏性(xing)能退化的未知(zhi)關鍵因素——“光(guang)機械誘導分解效應”，從根本上理(li)解了(le)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)薄(bo)膜在(zai)實(shi)際應用過程(cheng)中(zhong)出現的動態結構損傷及其機械強化調(diao)控原理(li)，為克服穩定(ding)性(xing)瓶頸、推動鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)器件(jian)的工(gong)業(ye)化生產(chan)和應用提(ti)供了(le)新的解決(jue)方案。
圖4 團隊(dui)成員在測試鈣(gai)鈦礦太陽能(neng)電池光(guang)電性能(neng)
華(hua)東理(li)工大(da)(da)學為該(gai)工作(zuo)的(de)唯一(yi)通訊單位，通訊作(zuo)者為侯宇教授(shou)和楊(yang)雙(shuang)教授(shou)，第一(yi)作(zuo)者為材料學院博士研究(jiu)生(sheng)李慶，該(gai)研究(jiu)工作(zuo)得到了(le)華(hua)東理(li)工大(da)(da)學楊(yang)化桂(gui)教授(shou)的(de)悉心指導，上海大(da)(da)學鄭祎初副研究(jiu)員(yuan)在理(li)論模擬方面提(ti)供了(le)重(zhong)要支持。研究(jiu)工作(zuo)還(huan)得到了(le)國(guo)家(jia)自然科學基金、上海市基礎研究(jiu)特區等項目資金的(de)支持。
文(wen)章鏈接(jie)：//www.science.org/doi/10.1126/science.adu5563
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