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。
3月7日,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。
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