在太阳能电池领域，相对于传统的晶硅电池，新兴的钙钛矿电池凭借转化效率高、低成本、柔性与轻量化等优势，成为极具应用前景的新型光伏技术，对解决能源与环境问题意义重大。然而，器件的不稳定性一直是制约其产业化进程的首要难题。

　　钙钛矿电池真的“短命”吗？能否通过技术手段“延年益寿”？北京时间3月7日凌晨，华东理工大学材料学院的侯宇教授、杨双教授等人，在国际权威期刊《科学（Science）》上发表了关于钙钛矿电池稳定性的最新研究成果。该研究揭示了钙钛矿光伏器件不稳定性的关键机制——“光机械”诱导分解效应，并提出采用石墨烯-聚合物机械增强钙钛矿材料的新策略，所制备的太阳能电池器件有效寿命创造了国际同类实验的新纪录。

　　据悉，这两位85后教授带领的团队成功研发出新型钙钛矿电池器件，有效解决了“衰老”问题。在标准太阳光照及高温条件下，其T97（效率保持97%）的工作寿命创下3670小时，即153天的新纪录，为钙钛矿太阳电池的产业化应用提供了全新的解决方案。

　　【光伏器件“惧光老化”】

　　令人惊讶的是，钙钛矿电池竟有“畏光”的特性。作为光伏电池的核心组件，钙钛矿材料具有软晶格特性，在水氧、光照、高温和电场等环境因素影响下，容易发生化学分解和结构退化，导致器件效率大幅下降。

　　“我们发现，除了水、光、热、电等常见因素外，钙钛矿材料内部的动态局域应力也是诱发材料分解的重要原因，即‘光机械’诱导分解效应。”侯宇指出，在太阳光照下，钙钛矿材料会表现出显著的光致伸缩效应，膨胀比例可超过1%，导致钙钛矿晶体间的挤压，并在晶界附近积累局部应力，加速了晶界区域的缺陷形成，造成钙钛矿电池性能损失。

　　杨双表示，钙钛矿电池的结构由五层组成，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。为提升钙钛矿材料的稳定性，科学家们尝试改变钙钛矿组分和结晶性，或设计控制钙钛矿表面的分子结构，但仍难以满足实际应用需求。此番“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视角，也为提高其稳定性提供了新思路。

　　【诺奖材料助力强化】

　　那么，如何在微观层面为钙钛矿“强筋健骨”？团队找到了神奇的诺奖级二维材料——石墨烯。石墨烯的模量，即材料抵抗变形能力的物理量，是钙钛矿材料模量的50到100倍，且具有均匀致密、耐机械疲劳和化学稳定的特性。但石墨烯与钙钛矿不兼容，该如何实现稳定结合？

　　经过多次尝试，华理团队发现，可利用与塑料相近的“聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）”聚合物，通过界面耦联方式，将单层整片石墨烯组装到钙钛矿薄膜表面，实现两者的高均匀度、多功能性集成，从而形成一种新型的太阳钙钛矿电池器件。

　　据测算，得益于石墨烯出色的机械性能和聚合物的耦合效应，钙钛矿薄膜的模量和硬度提高了两倍，显著限制了光照条件下的晶格动态伸缩效应。石墨烯-聚合物双层结构将晶格变形率从+0.31%降至+0.08%，有效减少了晶界附近因膨胀引起的材料破坏，进而确保了钙钛矿器件在光照、高温及真空等环境下的长期稳定性。

　　【光伏器件寿命大幅提升】

　　多年来，这支清洁能源材料与器件团队始终聚焦国家“双碳”战略，在新型光伏领域取得了系列研究成果。他们建立了一套理论设计及精准筛选太阳能电池关键功能材料的通用方法，突破了传统材料合成的瓶颈，开发出一系列高性能、更稳定的光电功能晶态材料，提出了光伏器件表面分子功能化新方法，显著提升了太阳电池的环境稳定性。

　　侯宇认为，运用石墨烯-聚合物耦合界面实现钙钛矿光伏器件寿命的新突破，最大的意义在于揭示了光伏性能退化的未知关键因素——“光机械作用”，从根本上理解了钙钛矿薄膜在实际应用中的动态结构损伤及其强化调控原理，为克服稳定性瓶颈、推动钙钛矿器件的工业化生产和应用提供了全新的解决方案。通过石墨烯“加层”强化，钙钛矿电池组件的使用寿命有望大幅延长。

　　题为“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”的《科学》论文，以华东理工大学为唯一通讯单位，通讯作者为侯宇教授和杨双教授，第一作者为材料学院博士研究生李庆。该研究得到了华东理工大学杨化桂教授的悉心指导，上海大学郑祎初副研究员也对理论模拟提供了重要支持。此外，研究工作还得到了国家自然科学基金、上海市基础研究特区等项目的资金支持。

（文章来源：上观新闻）