張婷 科技日?qǐng)?bào)記者 王春
鈣鈦礦太陽能電池被稱作“未來之光”，它不僅能像傳統(tǒng)硅電池一樣發(fā)電，還能做成薄如紙張、可彎曲的形態(tài)，甚至能貼在衣服或窗戶上使用。然而，器件不穩(wěn)定性成為限制其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的首要挑戰(zhàn)。
3月7日，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)侯宇教授、楊雙教授等人在《科學(xué)》發(fā)表最新研究，揭示了新型光伏不穩(wěn)定性的關(guān)鍵機(jī)制——光機(jī)械誘導(dǎo)分解效應(yīng)，提出石墨烯-聚合物機(jī)械增強(qiáng)鈣鈦礦材料的新方法，制備的太陽能電池器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫下的T97工作壽命創(chuàng)下3670小時(shí)新紀(jì)錄。
研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦材料在陽光照射下會(huì)像氣球一樣反復(fù)膨脹收縮，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)“內(nèi)傷”破裂。這種材料遇光會(huì)膨脹超過1%，內(nèi)部晶體相互擠壓產(chǎn)生破壞力，就像反復(fù)折疊的紙最終會(huì)斷裂一樣。
科研人員想出了一個(gè)妙招——給材料穿“防彈衣”。他們用世界上最堅(jiān)硬的材料之一石墨烯，加上特殊透明塑料，制成只有頭發(fā)絲萬分之一的超薄保護(hù)層。
經(jīng)過多次嘗試，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以通過聚甲基丙烯酸甲酯聚合物界面耦聯(lián)方式，將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面。由此，一個(gè)新型鈣鈦礦太陽能電池器件形成。實(shí)驗(yàn)證明，由這種雙層結(jié)構(gòu)形成的“防護(hù)服”，能讓材料抗壓能力翻倍，把膨脹幅度從0.31%降到0.08%，就像給易碎品加了抗震包裝。
經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，裝上這種保護(hù)層的太陽能電池創(chuàng)下新紀(jì)錄：在模擬日常使用的強(qiáng)光高溫環(huán)境下，持續(xù)工作3670小時(shí)（約153天）后，仍能保持97%的發(fā)電效率。這是目前同類電池中最長(zhǎng)的穩(wěn)定工作時(shí)間，意味著實(shí)際應(yīng)用成為可能。
過去10年，全球科學(xué)家主要從材料配方改良入手，而華東理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)“物理損傷”這個(gè)隱藏殺手，為后續(xù)研究打開新方向。相關(guān)專家表示，這項(xiàng)工作重新定義了提升穩(wěn)定性的技術(shù)路徑。
目前，該技術(shù)已開始與企業(yè)合作試驗(yàn)，一旦量產(chǎn)，建筑外墻發(fā)電玻璃、可折疊戶外充電毯，甚至給手機(jī)充電的太陽膜都可能成為現(xiàn)實(shí)。
