3670小时！华东理工大学，发表今年首篇Science！
米测MeLab
2025-03-11
编辑总结
本研究通过使用聚合物将单层石墨烯与钙钛矿晶格结合，可以减少光致膨胀及由此造成的太阳能电池损伤。该工作表明，使用该双层结构的机械增强作用将操作过程中的变形比降低了四倍，并且减少了离子迁移。采用该双层结构的太阳能电池在90°C下最大功率点操作3670小时后，保持了超过97%的初始光电转换效率，且效率超过25%。—Phil Szuromi研究背景
钙钛矿薄膜在电场、温度和光照的作用下发生晶格变形和结构演变，这限制了太阳能电池的操作耐久性。针对这一问题，华东理工大学侯宇教授、杨双教授等合作在Science期刊上发表了题为“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的最新论文。作者通过将聚合物耦合的单层石墨烯界面与钙钛矿薄膜集成，增强了其机械性能，显著提高了薄膜的模量和硬度。石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的协同作用限制了光致晶格膨胀，将变形比从0.31%降至0.08%，最大程度地减少了动态晶格演化带来的结构损伤。在全光谱1.5全球（AM1.5 G）阳光照射下，太阳能电池在90°C下进行最大功率点追踪超过3670小时后，保持了初始光电转换效率的97%以上。 研究亮点
- 实验首次发现钙钛矿太阳能电池的不稳定性源于光机械诱导分解效应，并提出了通过石墨烯-聚合物复合材料增强钙钛矿材料的新方法，显著提高了其稳定性。
- 实验通过将单层石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）结合，增强了钙钛矿薄膜的机械强度，减少了光照引起的晶格膨胀。该双层结构的界面能够将钙钛矿晶格的变形比从0.31%降低至0.08%，有效抑制了晶界附近的损伤。
- 实验表明，通过这一新型界面结构，太阳能电池器件的光电转换效率（PCE）超过24%，并且在模拟的AM 1.5G光照和90°C下的最大功率点（MPP）操作3670小时后，保持了超过97%的初始PCE。
图文解读
图 1. 石墨烯-聚合物耦合双层界面结构，实现兼具高强度、高韧性以及优异电荷输运特性的钙钛矿薄膜材料结论展望
本研究发现，环境应力下的晶格变形是钙钛矿多晶薄膜晶界损伤和结构退化的一个重要因素，而这一点在该领域长期以来被忽视。作者表明，通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合的单层石墨烯界面协同作用，可以抑制这种软晶格动态，从而赋予钙钛矿薄膜高模量、大硬度、反弹弹性、紧密连接和物理保护等机械性能。石墨烯和PMMA在钙钛矿层的机械增强中是必不可少的，石墨烯作为增强基材，而PMMA作为粘结介质。通过实验观察与计算模型的结果，作者展示了这种混合界面在工作条件下控制晶格变形和横向离子迁移的有效性。因此，这种混合界面使得高效钙钛矿器件在各种环境下，如光照、高温、空气环境和真空中，长期稳定运行。 由于钙钛矿材料本身脆弱，采用紧密耦合且坚韧的石墨烯，这一方法有望解决应力引起的损伤和裂纹传播问题，特别是在柔性器件中。随着二维材料的发展，这一策略可与大面积石墨烯转移兼容，并已应用于制造厘米级的钙钛矿器件。作者的研究为钙钛矿太阳能电池在实际操作中的动态结构损伤提供了基本理解，并为克服稳定性问题、推动钙钛矿器件的工业生产和应用开辟了更多可能性。Qing Li et al. ,Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells.Science387,1069-1077(2025).DOI:10.1126/science.adu5563
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