鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)化效率為何大大提高？這項(xiàng)研究登上《科學(xué)》

　　鈣鈦礦不再“怕濕度”！光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到24.1%！3月26日，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》發(fā)表一項(xiàng)重要研究，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)有機(jī)溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，實(shí)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(guò)程中的世界性難題。

　　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?！懊舾小?，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(guò)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?！蹦暇┕I(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(jué)。

　　“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(shuō)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(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?！闭撐墓餐谝蛔髡咛J薈說(shuō)。

　　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(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。

　　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(huà)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?！?/p>

　　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(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?！标愑廊A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(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“打起了新的算盤”，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?！?/p>

　　轉(zhuǎn)自：科技日?qǐng)?bào)

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