南工大成果解決光伏領(lǐng)域世界難題

鈣鈦礦不再“怕濕度”!光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到24.1%!3月26日，中國(guó)科學(xué)院院士黃維、南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院陳永華教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出，以一種多功能的“離子液體”作為溶劑來(lái)替代傳統(tǒng)有毒的有機(jī)溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，實(shí)現(xiàn)了黑相甲脒鉛碘(α-FAPbI3)鈣鈦礦在室溫、高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏材料制備過(guò)程中的世界性難題，實(shí)現(xiàn)了光伏領(lǐng)域重大突破。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。

相比于傳統(tǒng)的單晶硅電池，鈣鈦礦光伏材料因輕薄、低廉、環(huán)保、可柔性等優(yōu)勢(shì)，成為研究熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上，鈣鈦礦光伏材料怕水、怕空氣，需要在惰性氣體的保護(hù)下才能制備。在現(xiàn)有認(rèn)知范圍內(nèi)，只有不超過(guò)5種溶劑被應(yīng)用到鈣鈦礦材料中，且這些溶劑均是有毒溶液。如此多的“痛點(diǎn)”讓鈣鈦礦的擴(kuò)大應(yīng)用舉步維艱。

在傳統(tǒng)溶劑體系內(nèi)繼續(xù)做研究，總讓陳永華有種“隔靴撓癢”的感覺(jué)。2017年，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種綠色的質(zhì)子型離子液體，因其官能團(tuán)的特殊性，被引入制備過(guò)程。

“離子液體獨(dú)特的陰離子和陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)能夠在溶液中形成龐大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，有機(jī)陰離子與金屬鹵化物形成螯合物來(lái)調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶液的性質(zhì)。其獨(dú)特的化學(xué)作用能夠有效調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從而生長(zhǎng)出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。”論文共同第一作者蘆薈介紹說(shuō)?；陔x子液體的特性，研究團(tuán)隊(duì)在2020年構(gòu)建出了高效穩(wěn)定的層狀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18.06%，打破了當(dāng)時(shí)的記錄效率。

研究團(tuán)隊(duì)從多功能離子液體溶劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備出發(fā)，發(fā)現(xiàn)離子液體甲酸甲胺的羰基可以與碘化鉛中的鉛產(chǎn)生螯合作用，胺基與碘形成氫鍵作用。“在碘化鉛成膜過(guò)程中，這種相互作用牽引著碘化鉛晶體規(guī)則排列，形成了一系列具有納米級(jí)‘離子通道’且垂直生長(zhǎng)的碘化鉛晶體結(jié)構(gòu)，這些通道促進(jìn)了碘甲脒滲透到碘化鉛薄膜中，從而快速和穩(wěn)健地被轉(zhuǎn)化為甲脒基鈣鈦礦薄膜。”陳永華說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，離子液體甲酸甲胺作鈣鈦礦前驅(qū)體溶劑所制備的器件最終實(shí)現(xiàn)了高達(dá)24.1%的光電轉(zhuǎn)化效率，并且，未封裝的器件在85℃持續(xù)加熱和持續(xù)光照下，分別保持其初始效率的80%和90%達(dá)500小時(shí)。

綠色無(wú)毒、穩(wěn)定高效、成本低廉，這項(xiàng)成果為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大規(guī)模生產(chǎn)利用創(chuàng)造了前提條件，但陳永華拿著0.1平方厘米大小的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池片，卻有新的打算。他說(shuō)：“未來(lái)5年，我們將致力于實(shí)現(xiàn)從0.1平方厘米放大到100平方厘米，真正實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。”