鈣鈦礦+石墨烯中國團隊新成果登上《科學》

北京時間3月7日，華東理工大學材料學院清潔能源材料與器件團隊侯宇教授、楊雙教授等在《Science》（《科學》）發表石墨烯-聚合物機械增強鈣鈦礦材料的新方法。這一方法用來解決“鈣鈦礦太陽能電池穩定性差”這一關鍵難題。

華東理工大學官方微信公眾號發文介紹稱，該研究發現了鈣鈦礦光伏不穩定性的關鍵機制——光機械誘導分解效應，提出石墨烯-聚合物機械增強鈣鈦礦材料的新方法。使用這種方法制備的太陽能電池器件在標準太陽光照及高溫下的T97工作壽命創下3670小時新紀錄。該研究成果有望為鈣鈦礦太陽能電池的產業化應用提供全新解決方案。

　　堅硬的石墨烯有望提升鈣鈦礦光伏壽命

　　這篇題為《Graphene-polymer reinforcement of perovskite lattices for durable solar cells》（《石墨烯-聚合物增強鈣鈦礦晶格用于耐用太陽能電池》）的論文，由華東理工大學作為唯一通訊單位，通訊作者為侯宇教授和楊雙教授，第一作者為該校材料學院博士研究生李慶。

　　要解決鈣鈦礦材料不穩定問題，首先要了解其不穩定的原因。該研究團隊正是從“新原因”，找到了新的解決方法。

　　華東理工大學發文介紹，傳統理論認為，光、熱等因素直接引起鈣鈦礦的氧化還原、離子遷移等分解行為。

　　而該研究團隊發現，在太陽光照下，鈣鈦礦材料表現出顯著的光致伸縮效應，膨脹比例可超過1%。這導致鈣鈦礦晶體之間產生擠壓，并在晶界附近積累局部應力，加速了晶界區域的缺陷形成，造成了鈣鈦礦電池的性能損失。

　　“我們發現，這類‘動態應力’才是誘發材料分解的元兇，這就是光機械誘導分解效應。”侯宇在華東理工大學文章中稱。

　　為應對光機械誘導分解效應，石墨烯登場了。

　　石墨烯具有約1 TPa的超高模量（指超強的抵抗形變能力），是鈣鈦礦材料模量的50-100倍，且具有均勻致密、耐機械疲勞和化學穩定的優點。

　　該團隊發現，可以通過聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物界面耦聯方式，將單層整片石墨烯組裝到鈣鈦礦薄膜表面，從而實現兩者的高均勻度、多功能性集成。

圖石墨烯-聚合物耦合雙層界面結構，實現兼具高強度、高韌性以及優異電荷輸運特性的鈣鈦礦薄膜材料來源：華東理工大學

　　通過石墨烯的約束，光照條件下的鈣鈦礦晶格動態伸縮效應被顯著限制。研究表明，石墨烯-聚合物雙層結構將晶格變形率從+0.31%降低至+0.08%，有效減少了晶界附近由膨脹引起的材料破壞。

　　圖石墨烯-聚合物耦合界面實現鈣鈦礦太陽能電池工況壽命的新突破來源：華東理工大學

　　通過動態結構演變實驗和計算模型相結合，研究團隊驗證了該耦合界面結構在工作條件下，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、高溫及真空等環境下的長期穩定性。基于這一設計，太陽電池在標準太陽光照及高溫（90℃）條件下，T97工作壽命（效率衰減至97%）達到3670小時。

　　圖團隊成員測試鈣鈦礦太陽能電池光電性能來源：華東理工大學

　　侯宇認為，該研究成果的重要意義在于揭示了光伏性能退化的未知關鍵因素——“光機械誘導分解效應”，從根本上理解了鈣鈦礦薄膜在實際應用過程中出現的動態結構損傷及其機械強化調控原理，為克服穩定性瓶頸、推動鈣鈦礦器件的工業化生產和應用提供了新的解決方案。

　　中國鈣鈦礦研究頻登頂刊業界持續看好應用前景

　　作為全球鈣鈦礦光伏研究的重要力量，2025年以來，中國團隊的鈣鈦礦光伏研究多次登上《Science》《Nature》系列期刊等頂級期刊。

　　例如，今年1月，仁爍光能聯合南京大學研發團隊在全鈣鈦礦疊層太陽能電池領域取得的科研成果發表于《Nature Materials》。

　　該研究將全鈣鈦礦疊層太陽能電池光電轉換效率提高至29.1%，刷新了全鈣鈦礦疊層太陽電池的世界紀錄。該效率已被收錄于太陽能電池世界紀錄效率表《Solar Cell Efficiency Tables》（Version 63）中。

　　此外，今年以來，華中科技大學團隊對全鈣鈦礦疊層太陽能電池的研究刊發于《Nature Photonics》；南方科技大學學者等對鈣鈦礦電池中電子傳輸材料的研究登上《Nature Materials》。

　　在2024年10月，由《Nature》系列雜志聯合南京大學、仁爍光能主辦的“鈣鈦礦和有機光伏——從研究到產業化”大會在南京舉辦。這是《Nature》首次在我國舉辦鈣鈦礦相關會議，展現出中國學界在這一領域的研究熱度。

　　在產業界，鈣鈦礦光伏在地面電站、光伏建筑一體化等領域的應用前景已被廣為討論。

　　除此之外，記者注意到，中國科學院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高曾在今年2月分析，鈣鈦礦太陽能電池可能會是深刻影響新能源汽車行業的補能技術。

　　他認為，相比剛性晶硅電池，鈣鈦礦薄膜電池可以鋪在整個車身，覆蓋面積達到10平米，相較晶硅光伏的覆蓋面積增加5倍。采用這項技術，可每日為車輛提供6至8度電，足夠滿足單日上下班的基本需要。

　　歐陽明高預測，隨著全固態電池量產、鈣鈦礦薄膜應用、充電基礎設施和車網互動智慧能源系統的普及，綠電將成為充電主體電源，國內外新能源汽車總銷量有望接近3000萬輛，保有量預計在2至3億輛之間，這標志著新能源汽車革命基本成熟。