我開創(chuàng)離子液體鈣鈦礦材料制備技術(shù)

2021年3月26日，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(tuán)隊(duì)提出的以一種多功能的離子液體作為溶劑制備鈣鈦礦光伏材料的原創(chuàng)技術(shù)在線發(fā)表在頂級期刊《科學(xué)》上。

該技術(shù)于不僅讓黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦在室溫、高濕度環(huán)境下保持穩(wěn)定，還替代了傳統(tǒng)有毒的有機(jī)溶劑，解決了鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題，實(shí)現(xiàn)了光伏領(lǐng)域的重大突破。

打破傳統(tǒng)溶劑體系

讓鈣鈦礦材料“暢快呼吸”

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、柔性等優(yōu)勢，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，尤其是以甲脒基鈣鈦礦為代表的鈣鈦礦光伏材料就對此非常敏感，在空氣中極易發(fā)生相轉(zhuǎn)變，發(fā)生材料老化和功能衰減，因此，需要在惰性氣體的保護(hù)下才能制備。同時(shí)，在現(xiàn)有認(rèn)知范圍內(nèi)，只有不超過5種溶劑被應(yīng)用到鈣鈦礦材料中，但是這些溶劑均是有毒溶液。如此多的痛點(diǎn)讓鈣鈦礦材料的擴(kuò)大應(yīng)用舉步維艱。

“我們要做就做不一樣的東西?！蹦暇┕I(yè)大學(xué)陳永華教授總感覺在傳統(tǒng)溶劑體系內(nèi)繼續(xù)做研究，有一種隔靴撓癢的感覺，“為什么不大膽設(shè)想一下，鈣鈦礦也可以在高濕度的空氣環(huán)境中制備?”于是，該團(tuán)隊(duì)將研究的焦點(diǎn)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，他們發(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，被引入制備過程。

“離子液體獨(dú)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(shí)有機(jī)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(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)過程，從而生長出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員、南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生蘆薈說道。基于離子液體的特性，研究團(tuán)隊(duì)在2020年構(gòu)建出高效穩(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%，打破了當(dāng)時(shí)的記錄。

建構(gòu)反應(yīng)“快速道”

光電轉(zhuǎn)化率大大提高

甲脒基鈣鈦礦由于其優(yōu)異的性質(zhì)被認(rèn)為是接近理論極限效率最有希望的材料，然而其穩(wěn)定性差，極易在高濕度條件下分解。

由甲脒基鈣鈦礦材料組成的鈣鈦礦薄膜，上半部是碘甲脒，下半部分是碘化鉛。“要實(shí)現(xiàn)甲脒基鈣鈦礦的穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于如何提供牢固的碘化鉛結(jié)構(gòu)，而得到牢固碘化鉛結(jié)構(gòu)的第一步就是要制備出成分穩(wěn)定的碘化鉛溶液?！标愑廊A解釋道。

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。“我們還欣喜地發(fā)現(xiàn)，在碘化鉛成膜過程中，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‘離子通道’且垂直生長的碘化鉛晶體結(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?！标愑廊A介紹道。

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°C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)。

綠色無毒、穩(wěn)定高效、成本低廉，這項(xiàng)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。未來5年，他們將致力于實(shí)現(xiàn)將鈣鈦礦太陽能電池片從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。