Science:石墨烯-聚合物增強鈣鈦礦晶格以提升太陽能電池的耐久性


一、 【科學背景】??

? ? ? ?鈣鈦礦太陽能電池因其高效率和低成本而備受關注,但其穩定性和耐久性仍是主要挑戰。傳統的鈣鈦礦薄膜在光照、熱和濕度條件下容易降解,導致性能下降。為了提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和效率,研究者們探索了多種材料和方法,其中石墨烯及其衍生物的應用顯示出顯著潛力。華東理工大學的楊雙和侯宇教授為通訊作者,團隊采取了一種科學的方法將單層石墨烯與聚合物結合,形成一種復合材料,用于增強鈣鈦礦晶格的穩定性。具體方法是將石墨烯通過聚合物連接到鈣鈦礦晶格上,以減少光誘導的膨脹和由此導致的太陽能電池損傷。這種復合材料不僅提高了鈣鈦礦晶格的機械穩定性,還改善了電荷傳輸效率。這種創新方法不僅提高了太陽能電池的使用壽命,還保持了其高效率,為鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用提供了新的可能性。相關研究成果以“Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells”為題目發表在國際頂級期刊Science上。

二、【科學貢獻】

圖1 . 制造單片石墨烯-過氧化物異質結。? 2025 Science

圖2 過氧化物薄膜的機械特性。? 2025 Science

圖3 光伏性能和設備穩定性。? 2025 Science

圖4 薄膜的微觀結構演變。? 2025 Science

圖5 過氧化物薄膜的光電特性。? 2025 Science

三、【 創新點】?

? ? ? 1.通過將石墨烯與聚合物結合,形成了一種新型復合材料,用于增強鈣鈦礦晶格的穩定性。

  1. 該復合材料顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池在光照和熱條件下的耐久性。
  2. 石墨烯的高導電性改善了電荷傳輸效率,從而提高了太陽能電池的整體性能。

四、【 科學啟迪】

? ? ? ?本文發現,在環境應力作用下,晶格變形是導致鈣鈦礦多晶薄膜晶界(GB)損壞和結構退化的一個重要因素,而這一問題長期以來在該領域一直被忽視。通過研究表明,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)耦合單層石墨烯界面的協同效應,可以抑制這種軟晶格動力學,從而使鈣鈦礦薄膜具備高模量、大硬度、回彈韌性、緊密互連等機械特性以及物理保護。其中,石墨烯作為增強基底,PMMA 作為粘合介質。實驗觀察到的動態結構演變以及計算模型的結果都證明了混合界面在工作條件下控制晶格變形和橫向離子遷移的實用性。因此,這種混合界面能夠使鈣鈦礦器件在各種環境下(如光浸泡、高溫、環境空氣和真空條件下)實現長期穩定高效的運行。由于鈣鈦礦材料本身比較脆弱,使用緊密耦合且堅韌的石墨烯可以解決應力問題,從而在柔性器件中防止由應力引起的損壞和裂紋擴展。隨著二維材料的發展,這種策略有望與大面積石墨烯相結合,為鈣鈦礦器件的進一步發展提供新的思路。

原文詳情:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu5563

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