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研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-09 08:30

正文

第一作者： Qing Li

通讯作者： Yu Hou、Shuang Yang

通讯单位：华东理工大学

论文doi：

10.1126/science.adu5563

研究背景

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高功率转换效率（PCE >26%）和低成本潜力，被视为下一代光伏技术的重要候选。然而，其商业化进程受限于长期稳定性问题。钙钛矿材料的软离子特性使其在光照、电场和温度变化下易发生晶格变形（如光致晶格膨胀、离子迁移等），导致结构损伤和性能衰减。例如，典型钙钛矿薄膜（FA ₀ . ₇ MA ₀ . ₂₅ Cs ₀ . ₀₅ PbI ₃ ）在光照180分钟后晶格膨胀率可达0.63%，而硅材料的膨胀率仅为0.001%。尽管现有研究通过组分调控、缺陷钝化等手段提升了稳定性，但PSCs在连续光照或循环光照下的耐久性仍远低于硅基太阳能电池（硅电池年效率损失<0.5%，寿命>20年）。因此，如何有效抑制钙钛矿的动态晶格演化成为关键挑战。

本文提出了一种机械增强策略：通过单层石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合的界面结构，限制钙钛矿的光致晶格膨胀和离子迁移，从而显著提升器件稳定性。该设计不仅增强了钙钛矿薄膜的机械强度，还通过抑制晶界（GBs）处的应力积累，延缓了材料降解。实验表明，优化后的器件在90°C高温和全光谱光照下运行3670小时后，仍保持97%以上的初始效率，为钙钛矿太阳能电池的工业化应用提供了重要参考。

本文亮点

1. 机械性能双倍提升 ：石墨烯-PMMA复合界面使钙钛矿薄膜的杨氏模量从27.4 GPa提升至50.3 GPa，硬度从0.62 GPa增至1.08 GPa，显著增强了抗变形能力。

2. 光致晶格膨胀抑制 ：协同效应将钙钛矿晶格变形率从0.31%降至0.08%，有效减少晶界处的应力损伤。

3. 超长运行稳定性 ：器件在高温（90°C）和全光谱光照（AM 1.5 G）下连续运行3670小时，效率保持率>97%，且未出现碘化铅（PbI ₂ ）分解产物。

图文解析

图1. 石墨烯-钙钛矿异质结的制备与表征

要点：

1、 界面设计原理 如图1A-B所示。石墨烯的高机械强度（拉伸强度130 GPa，杨氏模量~1 TPa）与PMMA的粘附性协同作用，形成刚性界面，限制钙钛矿晶格动态膨胀。通过化学气相沉积（CVD）在铜箔上生长单层石墨烯，并结合湿法蚀刻转移至钙钛矿表面。

2、图1C-E为石墨烯-钙钛矿异质结的 结构表征 。SEM显示PMMA层（4 nm）和石墨烯层均匀覆盖钙钛矿表面，仅少量褶皱。拉曼光谱（G峰~1585 cm ⁻ ¹）证实单层石墨烯的高质量（图1D），并展示厘米级均匀性（图1E）。

3、透射电镜（TEM）显示PMMA/石墨烯/PMMA三层结构连续致密（图1G），碘元素扩散被石墨烯阻挡（图1H），验证其离子迁移抑制功能。

图2. 钙钛矿薄膜的机械性能测试

要点：

1、 纳米压痕实验 如图2B-C所示。PMMA/石墨烯界面使钙钛矿薄膜的压痕载荷力翻倍，且压痕深度恢复能力显著提升，表明材料兼具高模量与韧性。

2、本工作还进行了拉伸强度测试（图2E-F）。PMMA耦合层将界面拉伸强度从0.21 MPa提升至0.44 MPa，断裂能量从13.2 kJ m ⁻ ³增至40.6 kJ m ⁻ ³。SEM显示拉伸后界面结构完整，无分层（图2F）。

3、图2G为材料性能对比。优化后的钙钛矿薄膜机械性能接近金属铝（杨氏模量~70 GPa），远超纯钙钛矿和有机材料（如木材、聚丙烯）。

图3. 太阳能电池性能与稳定性

要点：

1、图3A为太阳能电池的器件结构。采用ITO/2PACz/钙钛矿/PCBM/BCP/Cu平面异质结结构，石墨烯-PMMA界面位于钙钛矿层顶部。

2、目标器件PCE达24.6%（初始值22.3%），填充因子（FF）从78%提升至83%，归因于界面缺陷钝化和能带对齐优化。

3、高温（90°C）下运行3670小时后，效率保持率>97%，而纯钙钛矿器件在1298小时后效率衰减至45%。非封装器件在空气中存储3000小时无效率衰减，真空环境下（1.3×10³ Pa）1656小时后仍保持98%效率。

图4. 钙钛矿薄膜的微观结构演化

图5. 钙钛矿薄膜的光电特性

要点：

1、原位XRD分析如图4A-F所示。光照下纯钙钛矿（001）晶面膨胀0.31%，而PMMA/石墨烯界面将其限制至0.08%。单独使用石墨烯或PMMA时， 膨胀率分别为0.22%和0.26%，表明协同效应不可或缺 。

2、光照导致纯钙钛矿铅碘八面体振动峰（45 cm ⁻ ¹）强度增加10倍，而PMMA/石墨烯样品峰位稳定，证实晶格畸变被抑制。晶格膨胀0.3%时，晶界处应力达200 MPa（图4K），而0.08%膨胀下应力仅为50 MPa（图4J），验证低变形率对晶界保护的重要性。

3、本工作接下来进行了导电原子力显微镜（c-AFM）分析（图5A-D）。光照20小时后，纯钙钛矿晶界暗电流从500 pA增至720 pA，晶界导电区域扩展，而目标器件电流分布稳定。

4、纯钙钛矿光照后浅陷阱态（0.3-0.5 eV）密度增加3倍，目标器件陷阱态无显著变化，表明界面抑制了碘相关缺陷生成。纯器件暗电流显著上升，而目标器件暗J-V曲线稳定，与宏观效率衰减趋势一致。

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