3月28日，科技日報記者從南京工業(yè)大學(xué)獲悉，中國科學(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隊的一項成果，近日在國際頂級期刊《科學(xué)》發(fā)表。研究團隊開創(chuàng)性地提出以一種多功能的離子液體作為溶劑，來替代傳統(tǒng)有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，實現(xiàn)了黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦在室溫、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程中的世界性難題。
相比傳統(tǒng)的單晶硅電池，鈣鈦礦光伏材料因具有輕薄、低廉、環(huán)保、可柔性等優(yōu)勢成為研究熱點。在傳統(tǒng)認(rèn)識中，鈣鈦礦光伏材料怕水、怕空氣，尤其是以甲脒基鈣鈦礦為代表的鈣鈦礦光伏材料非常“敏感”，需要在惰性氣體的保護下才能制備。同時在現(xiàn)有認(rèn)知范圍內(nèi)，只有不超過5種溶劑能被應(yīng)用到鈣鈦礦材料中，如此多的“痛點”讓其擴大應(yīng)用舉步維艱。
“為什么不大膽假設(shè)一下鈣鈦礦也可以在高濕度的空氣環(huán)境中制備？”很快，陳永華團隊將研究焦點集中到尋找一種環(huán)境友好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可調(diào)和的溶劑上。2017年，團隊發(fā)現(xiàn)了一種綠色的質(zhì)子型離子液體，因其官能團的特殊性被引入制備過程。
“離子液體獨特的陰離子和陽離子結(jié)構(gòu)能夠在溶液中形成龐大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，同時，有機陰離子與金屬鹵化物形成螯合物來調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶液的性質(zhì)。其獨特的化學(xué)作用能夠有效調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶動力學(xué)過程，從而生長出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。”論文共同第一作者說。
基于離子液體的特性，研究團隊在2020年構(gòu)建出了高效穩(wěn)定的層狀鈣鈦礦太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18.06%。
甲脒基鈣鈦礦由于優(yōu)異的性質(zhì)，被認(rèn)為是最有希望接近理論極限效率的材料，然而其穩(wěn)定性差，極易在高濕度條件下分解。團隊從多功能離子液體溶劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備出發(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。
實驗結(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攝氏度持續(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。
綠色無毒、穩(wěn)定高效、成本低廉，這項成果為鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)利用創(chuàng)造了前提條件，陳永華說：“未來5年，我們將致力于實現(xiàn)鈣鈦礦電池面積從0.1平方厘米放大到100平方厘米，真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。”
