中國儲能網(wǎng)訊：一個尋常的傍晚，華東理工大學(xué)博士生李慶帶著提前準(zhǔn)備好的材料，來到學(xué)校的分析測試中心。她此次實驗的目的是為了復(fù)現(xiàn)一篇論文中的結(jié)果。因為機時比較緊張，她往往會預(yù)約下午最后一個小時，以確保有足夠的時間完成一次實驗。
這一次，她發(fā)現(xiàn)了一個新奇的現(xiàn)象，認(rèn)為“得和導(dǎo)師好好討論分析一下結(jié)果”，并抓緊記下了這個實驗結(jié)果。
經(jīng)過團(tuán)隊后續(xù)的反復(fù)驗證，這一現(xiàn)象背后的機制逐漸明晰。鈣鈦礦太陽電池不穩(wěn)定的關(guān)鍵原因是材料體系存在光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)，研究團(tuán)隊進(jìn)一步提出了石墨烯-聚合物機械增強鈣鈦礦材料的新方法，利用該方法制備的太陽電池器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下工作3670小時后仍保持97.3%的初始工作效率。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》，李慶是論文第一作者。
新型鈣鈦礦太陽電池器件。
一個長期被忽視的問題
相對于已商業(yè)化應(yīng)用的晶硅電池，鈣鈦礦太陽電池具有轉(zhuǎn)化效率高、成本低、柔性與輕量化等優(yōu)勢，是一類極具應(yīng)用前景的新型光伏技術(shù)，對解決能源與環(huán)境問題具有重要意義。
“目前，鈣鈦礦光伏工況壽命與真實應(yīng)用需求間仍存在顯著差距，器件的不穩(wěn)定性問題是制約鈣鈦礦太陽電池商業(yè)化發(fā)展的重要因素之一?！崩顟c告訴《中國科學(xué)報》。
人們很早就觀察到，在光和熱的影響下，鈣鈦礦電池材料容易分解，為此想了諸多辦法試圖解決這一問題。
但很長時間以來，人們都未嘗試解答“因”和“果”中間的問題，即太陽光照射后，鈣鈦礦材料內(nèi)部發(fā)生了什么變化，才導(dǎo)致它變得不穩(wěn)定？
“除水、光、熱、電等常見因素外，鈣鈦礦材料內(nèi)部的動態(tài)局域應(yīng)力是誘發(fā)材料分解的重要原因，這就是光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⑷A東理工大學(xué)材料學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊教授侯宇解釋，“光照后，材料內(nèi)部首先產(chǎn)生了一個力，進(jìn)而引起材料發(fā)生快速分解。事實上，沒有力的地方，材料依然是慢速分解的過程，這是一個長期被忽視的問題。”
如果把鈣鈦礦材料不斷放大，就可以看到，正常情況下，材料內(nèi)部的分子排列十分緊密，前后左右都保持固定距離，就像是一支訓(xùn)練有素的隊伍。而經(jīng)過一段時間的光照后，那些分子之間則發(fā)生了相互的積壓碰撞，原本整齊的隊伍不見了，甚至有的分子“擅離職守”，致使其所在位置空了出來，形成了所謂缺陷，最終導(dǎo)致鈣鈦礦電池的性能損失。
“在太陽光照下，鈣鈦礦材料表現(xiàn)出顯著的光致伸縮效應(yīng)，膨脹比例可超過1%?！焙钣畋硎?，“光機械誘導(dǎo)分解效應(yīng)為我們理解鈣鈦礦材料的退化機制提供了新視角，也為進(jìn)一步提升其穩(wěn)定性提供了重要思路。”
給鈣鈦礦電池“貼膜”
鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)由五層組成，從上至下分別為導(dǎo)電玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦、電子傳輸層、金屬電極。
為了提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，科學(xué)家以往的解決思路是基于“打鐵還需自身硬”的樸素理念，通過改變鈣鈦礦組分和結(jié)晶性、設(shè)計控制鈣鈦礦表面分子結(jié)構(gòu)等方法，讓鈣鈦礦材料“變強”而不怕外界環(huán)境刺激，但收效甚微。
華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊則想到了給鈣鈦礦多貼一層“保護(hù)膜”。
石墨烯具有超高模量，是鈣鈦礦材料模量的50~100倍，且具有均勻致密、耐機械疲勞和化學(xué)穩(wěn)定的優(yōu)點。能否借用石墨烯這個“外援”，來提升鈣鈦礦的穩(wěn)定性呢？
于是，團(tuán)隊很快購置了石墨烯進(jìn)行嘗試，但在第一步就遇到了困難。商用石墨烯是薄薄的一層，附著在銅箔上面，要想把石墨烯轉(zhuǎn)移到鈣鈦礦上，首先要想辦法把銅箔溶解掉，使用水溶液是避不開的步驟。
“鈣鈦礦材料對水比較敏感，我們花了兩三個月時間，反復(fù)優(yōu)化實驗步驟，最后找到了合適的有機溶劑，確保了轉(zhuǎn)移石墨烯的同時不對鈣鈦礦造成損壞?！崩顟c說道。
然而，石墨烯與鈣鈦礦并不兼容，不能像貼手機膜一樣，簡單把石墨烯蓋在鈣鈦礦表面就完事了。幸運的是，團(tuán)隊找到了一款合適的“膠水”——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物。
“PMMA聚合物不僅可以把石墨烯和鈣鈦礦材料‘粘’在一起，也能夠填補鈣鈦礦表面坑坑洼洼不平整的部分?！崩顟c說道。
最終，團(tuán)隊通過PMMA聚合物界面耦聯(lián)的方式，將單層整片石墨烯組裝到了鈣鈦礦薄膜表面，從而實現(xiàn)兩者的高均勻度、多功能性集成。由此，形成一個包含7層結(jié)構(gòu)的新型鈣鈦礦太陽電池器件。
“得益于石墨烯出色的機械性能和聚合物的耦合效應(yīng)，鈣鈦礦薄膜的模量和硬度提高了兩倍，并顯著限制了在光照條件下的晶格動態(tài)伸縮效應(yīng)。”侯宇補充道，“石墨烯的作用主要是保護(hù)鈣鈦礦免受光照產(chǎn)生的外力影響?！?/span>
通過動態(tài)結(jié)構(gòu)演變實驗與計算模型相結(jié)合，團(tuán)隊驗證了該耦合界面結(jié)構(gòu)在工作條件下能夠有效抑制晶格變形以及橫向離子擴散，從而確保鈣鈦礦器件在光照、高溫及真空等環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。
“我們模擬了鈣鈦礦太陽電池實際工作的場景，采用原位方法測試電池同時受到光照并運行時內(nèi)部的變化，證實了這個方法的有效性?！崩顟c補充道。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用尚需時日
侯宇表示，華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊聚焦國家“雙碳”戰(zhàn)略，已在新型光伏領(lǐng)域取得系列研究成果，如建立了一套理論設(shè)計及精準(zhǔn)篩選太陽電池關(guān)鍵功能材料的通用方法，開發(fā)出一系列高性能、穩(wěn)定的光電功能晶態(tài)材料，提出光伏器件表面分子功能化新方法，顯著提升太陽電池的環(huán)境穩(wěn)定性等。
對于這項研究成果，侯宇認(rèn)為，最大的意義在于揭示了光伏性能退化的未知關(guān)鍵因素——光機械作用，從根本上理解了鈣鈦礦薄膜在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的動態(tài)結(jié)構(gòu)損壞及其強化調(diào)控原理，為突破穩(wěn)定性瓶頸、推動鈣鈦礦器件的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供了新的解決方案。
值得一提的是，盡管此次使用的材料是有機和無機雜合的鈣鈦礦體系，但該方法對其他體系的鈣鈦礦材料同樣適用。這也意味著，隨著后續(xù)更高效率的鈣鈦礦材料問世，能夠使用此方法在一定程度上解決穩(wěn)定性的問題。
“目前，我們正在與企業(yè)開展合作，探索工藝放大的技術(shù)路徑?！焙钣钫f，“但這還需要比較長的周期慢慢摸索，尤其是與大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移相關(guān)的工藝?！?/span>
