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3月7日，華東理工大學(xué)材料學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊在國際頂級期刊《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了一項具有里程碑意義的研究成果，成功找到了延長鈣鈦礦太陽能電池壽命的關(guān)鍵方法。這一突破性發(fā)現(xiàn)，不僅為鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路，也為全球綠色能源轉(zhuǎn)型提供了重要的“中國方案”。 鈣鈦礦太陽能電池因其轉(zhuǎn)化效率高、成本低、柔性與輕量化等優(yōu)勢，被視為極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)。然而，器件的不穩(wěn)定性一直是限制其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的首要挑戰(zhàn)。鈣鈦礦材料在光照、高溫等環(huán)境因素作用下容易發(fā)生化學(xué)分解和結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致電池效率大幅下降，使用壽命遠(yuǎn)達(dá)不到實際應(yīng)用要求。 華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊在侯宇教授和楊雙教授的帶領(lǐng)下，經(jīng)過深入研究，首次揭示了鈣鈦礦光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機(jī)制——光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，在太陽光照下，鈣鈦礦材料會表現(xiàn)出顯著的光致伸縮效應(yīng)，膨脹比例可超過1%，導(dǎo)致鈣鈦礦晶體之間的擠壓，并在晶界附近積累局部應(yīng)力，加速了晶界區(qū)域的缺陷形成，從而造成電池性能損失。 針對這一機(jī)制，科研團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了石墨烯-聚合物機(jī)械增強(qiáng)鈣鈦礦材料的新方法。他們利用石墨烯的超高模量和耐機(jī)械疲勞性能，通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯(lián)方式，將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面，實現(xiàn)了兩者的高均勻度、多功能性集成。這一新型鈣鈦礦太陽能電池器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下的T97工作壽命（效率衰減至97%）達(dá)到了3670小時，創(chuàng)下同類電池中最長的穩(wěn)定工作時間紀(jì)錄。 實驗證明，石墨烯-聚合物雙層結(jié)構(gòu)顯著限制了鈣鈦礦薄膜在光照條件下的晶格動態(tài)伸縮效應(yīng)，將晶格變形率從+0.31%降低至+0.08%，有效減少了晶界附近由膨脹引起的材料破壞。這一突破性成果不僅為理解鈣鈦礦材料的退化機(jī)制提供了新的視角，也為進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性提供了重要思路。 華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊的這一發(fā)現(xiàn)，不僅解決了鈣鈦礦太陽能電池壽命短的難題，更為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了全新解決方案。據(jù)估算，鈣鈦礦電池的生產(chǎn)成本僅為硅電池的1/3，且發(fā)電效率還有提升空間。隨著穩(wěn)定性瓶頸的突破，鈣鈦礦太陽能電池正加速從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，有望廣泛應(yīng)用于建筑外墻的發(fā)電玻璃、可折疊的戶外充電毯以及給手機(jī)充電的太陽膜等領(lǐng)域。 這一研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項目資金的支持，同時也得到了上海大學(xué)鄭祎初副研究員在理論模擬方面的重要支持。華東理工大學(xué)作為該工作的唯一通訊單位，展現(xiàn)了其在新型光伏領(lǐng)域的強(qiáng)大科研實力和創(chuàng)新能力。 |
