钙钛矿太阳电池作为极具应用前景的新型光伏技术，具有效率高、成本低、柔性与轻量化等优势，对解决能源与环境问题具有重要意义，而器件不稳定性是限制其产业化发展的首要挑战。3月7日，华东理工大学材料学院清洁能源材料与器件团队侯宇教授、杨双教授等在《科学》发表最新研究成果，发现了钙钛矿光伏不稳定性的关键机制——光机械诱导分解效应，提出了石墨烯-聚合物机械增强钙钛矿材料的新方法，制备的太阳能电池器件在标准太阳光照及高温下的T97工作寿命创下3670小时新纪录，将为钙钛矿太阳电池的产业化应用提供全新解决方案。
作为光伏电池的关键组分，钙钛矿材料表现出典型的软晶格特性，在水氧、光照、高温和电场等环境因素作用下，容易发生化学分解及结构退化，导致器件效率大幅下降。“传统理论认为，光、热等因素直接引起钙钛矿的氧化还原、离子迁移等分解行为。我们发现，上述因素首先在材料内导致局域应力，而这类‘动态应力’才是诱发材料分解的元凶，这就是光机械诱导分解效应。”侯宇介绍，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%，这将导致钙钛矿晶体之间的挤压，并在晶界附近积累局部应力，加速了晶界区域的缺陷形成，造成了钙钛矿电池的性能损失。
钙钛矿太阳电池结构一般由五层组成，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。为了提升处于核心的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分子结构，但仍难达到商业化应用标准。“光机械诱导分解效应”的发现，为理解钙钛矿材料的退化机制提供了新的视角，并为进一步提高其稳定性提供了重要思路。
石墨烯具有超高模量（约1 TPa），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。有没有可能借用石墨烯来提升钙钛矿的稳定性呢？石墨烯与钙钛矿并不兼容，经过多次尝试，团队发现，可以通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦联方式，将单层整片石墨烯组装到钙钛矿薄膜表面，从而实现两者的高均匀度、多功能性集成。由此，一个新型钙钛矿太阳能电池器件形成。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。研究表明，石墨烯-聚合物双层结构将晶格变形率从+0.31%降低至+0.08%，有效减少了晶界附近由膨胀引起的材料破坏。
通过动态结构演变实验和计算模型相结合，研究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。基于这一设计，太阳电池在标准太阳光照及高温（90℃）条件下，T97工作寿命（效率衰减至97%）达到3670小时。
据介绍，华东理工大学清洁能源材料与器件团队多年聚焦国家“双碳”战略，已在新型光伏领域取得系列研究成果，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。
