3月28日，科技日報記者從南京工業(yè)大學獲悉，中國科學院院士黃維、南京工業(yè)大學先進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》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)有認知范圍內(nèi)，只有不超過5種溶劑能被應用到鈣鈦礦材料中，如此多的“痛點”讓其擴大應用舉步維艱。

“為什么不大膽假設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構能夠在溶液中形成龐大的氫鍵網(wǎng)絡，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)。其獨特的化學作用能夠有效調(diào)控鈣鈦礦的結晶動力學過程，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)化效率達到18.06%。

甲脒基鈣鈦礦由于優(yōu)異的性質(zhì)，被認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構設計和制備出發(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)模應用。”

關鍵詞： 離子液體