科學家找到延長鈣鈦礦太陽電池壽命新思路

新華社上海3月7日電（記者吳振東）相較於晶硅電池，鈣鈦礦太陽電池具有轉化效率高、成本低、輕量化等優勢，是極具應用前景的新型光伏技術，但器件的不穩定性是限制其產業化的首要挑戰。

記者從華東理工大學獲悉，該校清潔能源材料與器件團隊的一項研究發現，“光機械誘導分解效應”是新型光伏不穩定性的關鍵機制，並提出了石墨烯—聚合物機械增強鈣鈦礦材料的新方法，據此製備的新器件打破了鈣鈦礦太陽電池的“短命”魔咒。該研究為鈣鈦礦太陽電池產業化提供了新的解決方案，相關成果7日發表於《科學》雜誌。

鈣鈦礦材料是鈣鈦礦太陽電池的關鍵組分。“光機械誘導分解效應”是指該材料內部的動態局域應力誘發材料發生分解。科研團隊負責人侯宇教授介紹，在太陽光照下，鈣鈦礦材料表現出顯著的光致伸縮效應，膨脹比例可超過1%，這會導致鈣鈦礦晶體間的擠壓，並在晶界附近積累局部應力，加速晶界區域的缺陷形成，造成鈣鈦礦電池的性能損失。

為提升鈣鈦礦材料穩定性，科學家此前嘗試過設計控制材料表面分子結構等多種方法，但仍難滿足實際應用需求。“光機械誘導分解效應”的發現，為解決這一難題帶來了新思路。

據介紹，同等外力作用下，石墨烯形變的程度僅為鈣鈦礦材料的1%至2%，且具有均勻緻密、耐機械疲勞和化學性質穩定的優點。藉助石墨烯就能提升鈣鈦礦材料的穩定性。“得益於石墨烯出色的機械性能和聚合物的耦合效應，石墨烯—聚合物雙層結構將晶格變形率從+0.31%下降至+0.08%，有效減少了晶界附近由膨脹引起的材料破壞。”侯宇説。

動態結構演變實驗和模型計算證實，這一新型鈣鈦礦太陽電池器件在工作條件下能有效抑制晶格變形和橫向離子擴散。例如，在標準太陽光照及高温下工作3670小時後，器件仍能保持初始效率的97%以上。