我国科学家在太阳能电池研究上取得新突破,工作寿命创下3670小时新纪录

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、杨双教授等在《科学》杂志发表了题为“钙钛矿晶格的石墨烯聚合物增强，用于耐用的太阳能电池”的最新研究成果。

该研究发现了钙钛矿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（即工作寿命衰减到97%）工作寿命创下3670小时新纪录，该研究成果将为钙钛矿太阳能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。钙钛矿太阳能电池结构一般由五层组成，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。而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，如何实现是一大难题。

华理团队发现，可以通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦合方式，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，一个新型钙钛矿太阳能电池器件形成。

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、高温及真空等环境下的长期稳定性。基于这一设计，太阳能电池在标准太阳光照及高温（90℃）条件下，T97工作寿命达到3670小时。记者注意到，此前，香港城市大学研究团队于2024年10月在《科学》上发文，采用原子层沉积（ALD）方法，用氧化锡代替富勒烯电子传输层，提高了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性。该团队实现了功率转换效率超25%的太阳能电池，在65°C的功率点运行2000小时后，仍保持95%以上的初始效率。其认证的T97工作寿命为“超1000小时”。