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研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的離子液體，陳永華教授供圖
更新溶劑體系，鈣鈦礦材料在空氣中“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、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，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”，容易老化、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種溶劑能被應(yīng)用到鈣鈦礦材料中，如此多的“痛點(diǎn)”讓鈣鈦礦的擴(kuò)大應(yīng)用舉步維艱。
“既然全世界都在做這方面的研究，我們要做就做不一樣的東西。”南京工業(yè)大學(xué)陳永華教授認(rèn)為，在傳統(tǒng)溶劑體系內(nèi)繼續(xù)做研究，總有一種“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’？”大家說干就干，很快，團(tuán)隊(duì)將研究焦點(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，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(zhǎng)出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。”論文共同第一作者蘆薈說。
基于離子液體的特性，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。
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)為是最接近理論極限效率的最有希望的材料，然而其穩(wěn)定性差，極易在高濕度條件下分解。
采訪中，陳永華給記者畫了一張圖，一張由甲脒基鈣鈦礦材料組成的鈣鈦礦薄膜，其上半部是碘甲脒，下半部分是碘化鉛。
陳永華解釋道：“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)，而牢固的碘化鉛結(jié)構(gòu)第一步就是要制備出成分穩(wěn)定的碘化鉛溶液。”
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(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。”陳永華介紹。
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，但陳永華拿著0.1平方厘米大小的鈣鈦礦太陽能電池片，卻“打起了新的算盤”，他說：“未來5年，我們將致力于實(shí)現(xiàn)從0.1平米厘米放大到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。”
原標(biāo)題：24.1%！鈣鈦礦光伏材料制備突破世界性難題
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