3670小時(shí)！華東理工團(tuán)隊(duì)攻克鈣鈦礦電池"壽命短板"

在新型光伏技術(shù)路線上，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因兼具高轉(zhuǎn)換效率、低成本及柔性輕量化等優(yōu)勢(shì)備受矚目。然而，材料穩(wěn)定性不足始終制約著其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程——這個(gè)被譽(yù)為"光伏新星"的材料，在光照、高溫等條件下極易發(fā)生結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致器件性能驟降。這一世界性難題近日被華東理工大學(xué)材料學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)破解。

3月7日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)的突破性研究成果。侯宇教授、楊雙教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了鈣鈦礦材料中光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)這一關(guān)鍵失效機(jī)制，并創(chuàng)新性地提出石墨烯-聚合物復(fù)合增強(qiáng)策略。通過(guò)將單層整片石墨烯與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）進(jìn)行界面耦合，成功制備出具有超高穩(wěn)定性的鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池。經(jīng)第三方測(cè)試驗(yàn)證，該電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照及85℃高溫環(huán)境下，T97工作壽命突破3670小時(shí)，較傳統(tǒng)鈣鈦礦電池提升近3倍。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原子力顯微鏡動(dòng)態(tài)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦材料在光照下會(huì)產(chǎn)生顯著的光致伸縮效應(yīng)，其晶格膨脹幅度可達(dá)1%以上。這種微觀形變不僅引發(fā)晶界破裂，還會(huì)加速離子遷移導(dǎo)致材料劣化。"我們首次證實(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力累積是鈣鈦礦器件失效的重要誘因，而非單純依賴傳統(tǒng)認(rèn)知的水氧侵蝕或熱穩(wěn)定性問(wèn)題。"侯宇教授解釋道。

針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新構(gòu)建了石墨烯-聚合物雙層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。利用石墨烯超高模量（約1TPa）與PMMA優(yōu)異的界面相容性，成功將鈣鈦礦薄膜的模量和硬度提升至原有兩倍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該結(jié)構(gòu)能將光照條件下的晶格變形率從+0.31%嚴(yán)格控制在+0.08%以內(nèi)，有效抑制了晶界微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。結(jié)合第一性原理計(jì)算與原位動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)表征，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了該界面工程可同步阻隔橫向離子擴(kuò)散并緩解光熱應(yīng)力。

這項(xiàng)突破不僅解決了鈣鈦礦材料在實(shí)際工況下的失效難題，更為下一代光伏技術(shù)發(fā)展開辟了新路徑。據(jù)團(tuán)隊(duì)透露，該技術(shù)已申請(qǐng)多項(xiàng)發(fā)明專利，相關(guān)成果正在與新能源企業(yè)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化合作。自"雙碳"戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，華東理工大學(xué)清潔能源材料團(tuán)隊(duì)已在新型光伏領(lǐng)域取得系列原創(chuàng)性成果，包括光電功能材料精準(zhǔn)篩選方法、表面分子功能化技術(shù)等，為我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要技術(shù)支撐。

這項(xiàng)里程碑式的突破標(biāo)志著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池向產(chǎn)業(yè)化邁出關(guān)鍵一步。隨著穩(wěn)定性問(wèn)題的攻克，這種被譽(yù)為"未來(lái)光伏主流"的材料，將在建筑一體化、柔性電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。