新型钙钛矿太阳电池器件。华东理工大学供图

■本报见习记者 江庆龄 实习生 孙梦洁

一个寻常的傍晚，华东理工大学博士生李庆带着提前准备好的材料，来到学校的分析测试中心。她此次实验的目的是为了复现一篇论文中的结果。因为机时比较紧张，她往往会预约下午最后一个小时，以确保有足够的时间完成一次实验。

这一次，她发现了一个新奇的现象，认为“得和导师好好讨论分析一下结果”，并抓紧记下了这个实验结果。

经过团队后续的反复验证，这一现象背后的机制逐渐明晰。钙钛矿太阳电池不稳定的关键原因是材料体系存在光机械诱导分解效应，研究团队进一步提出了石墨烯-聚合物机械增强钙钛矿材料的新方法，利用该方法制备的太阳电池器件在标准太阳光照及高温下工作3670小时后仍保持97.3%的初始工作效率。近日，相关研究成果发表于《科学》，李庆是论文第一作者。

一个长期被忽视的问题

相对于已商业化应用的晶硅电池，钙钛矿太阳电池具有转化效率高、成本低、柔性与轻量化等优势，是一类极具应用前景的新型光伏技术，对解决能源与环境问题具有重要意义。

“目前，钙钛矿光伏工况寿命与真实应用需求间仍存在显著差距，器件的不稳定性问题是制约钙钛矿太阳电池商业化发展的重要因素之一。”李庆告诉《中国科学报》。

人们很早就观察到，在光和热的影响下，钙钛矿电池材料容易分解，为此想了诸多办法试图解决这一问题。

但很长时间以来，人们都未尝试解答“因”和“果”中间的问题，即太阳光照射后，钙钛矿材料内部发生了什么变化，才导致它变得不稳定？

“除水、光、热、电等常见因素外，钙钛矿材料内部的动态局域应力是诱发材料分解的重要原因，这就是光机械诱导分解效应。”论文通讯作者、华东理工大学材料学院清洁能源材料与器件团队教授侯宇解释，“光照后，材料内部首先产生了一个力，进而引起材料发生快速分解。事实上，没有力的地方，材料依然是慢速分解的过程，这是一个长期被忽视的问题。”

如果把钙钛矿材料不断放大，就可以看到，正常情况下，材料内部的分子排列十分紧密，前后左右都保持固定距离，就像是一支训练有素的队伍。而经过一段时间的光照后，那些分子之间则发生了相互的积压碰撞，原本整齐的队伍不见了，甚至有的分子“擅离职守”，致使其所在位置空了出来，形成了所谓缺陷，最终导致钙钛矿电池的性能损失。

“在太阳光照下，钙钛矿材料表现出显著的光致伸缩效应，膨胀比例可超过1%。”侯宇表示，“光机械诱导分解效应为我们理解钙钛矿材料的退化机制提供了新视角，也为进一步提升其稳定性提供了重要思路。”

给钙钛矿电池“贴膜”

钙钛矿太阳电池结构由五层组成，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。

为了提升钙钛矿材料的稳定性，科学家以往的解决思路是基于“打铁还需自身硬”的朴素理念，通过改变钙钛矿组分和结晶性、设计控制钙钛矿表面分子结构等方法，让钙钛矿材料“变强”而不怕外界环境刺激，但收效甚微。

华东理工大学清洁能源材料与器件团队则想到了给钙钛矿多贴一层“保护膜”。

石墨烯具有超高模量，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。能否借用石墨烯这个“外援”，来提升钙钛矿的稳定性呢？

于是，团队很快购置了石墨烯进行尝试，但在第一步就遇到了困难。商用石墨烯是薄薄的一层，附着在铜箔上面，要想把石墨烯转移到钙钛矿上，首先要想办法把铜箔溶解掉，使用水溶液是避不开的步骤。

“钙钛矿材料对水比较敏感，我们花了两三个月时间，反复优化实验步骤，最后找到了合适的有机溶剂，确保了转移石墨烯的同时不对钙钛矿造成损坏。”李庆说道。

然而，石墨烯与钙钛矿并不兼容，不能像贴手机膜一样，简单把石墨烯盖在钙钛矿表面就完事了。幸运的是，团队找到了一款合适的“胶水”——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物。

“PMMA聚合物不仅可以把石墨烯和钙钛矿材料‘粘’在一起，也能够填补钙钛矿表面坑坑洼洼不平整的部分。”李庆说道。

最终，团队通过PMMA聚合物界面耦联的方式，将单层整片石墨烯组装到了钙钛矿薄膜表面，从而实现两者的高均匀度、多功能性集成。由此，形成一个包含7层结构的新型钙钛矿太阳电池器件。

“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，并显著限制了在光照条件下的晶格动态伸缩效应。”侯宇补充道，“石墨烯的作用主要是保护钙钛矿免受光照产生的外力影响。”

通过动态结构演变实验与计算模型相结合，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。

“我们模拟了钙钛矿太阳电池实际工作的场景，采用原位方法测试电池同时受到光照并运行时内部的变化，证实了这个方法的有效性。”李庆补充道。

产业应用尚需时日

侯宇表示，华东理工大学清洁能源材料与器件团队聚焦国家“双碳”战略，已在新型光伏领域取得系列研究成果，如建立了一套理论设计及精准筛选太阳电池关键功能材料的通用方法，开发出一系列高性能、稳定的光电功能晶态材料，提出光伏器件表面分子功能化新方法，显著提升太阳电池的环境稳定性等。

对于这项研究成果，侯宇认为，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过程中出现的动态结构损坏及其强化调控原理，为突破稳定性瓶颈、推动钙钛矿器件的工业化生产和应用提供了新的解决方案。

值得一提的是，尽管此次使用的材料是有机和无机杂合的钙钛矿体系，但该方法对其他体系的钙钛矿材料同样适用。这也意味着，随着后续更高效率的钙钛矿材料问世，能够使用此方法在一定程度上解决稳定性的问题。

“目前，我们正在与企业开展合作，探索工艺放大的技术路径。”侯宇说，“但这还需要比较长的周期慢慢摸索，尤其是与大面积石墨烯薄膜转移相关的工艺。”

相关论文信息：

http://doi.org/10.1126/science.adu5563