我開創離子液體鈣鈦礦材料制備技術

2021年3月26日，中國科學院院士黃維、南京工業大學先進材料研究院陳永華教授團隊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技術在線發表在頂級期刊《科學》上。

該技術于不僅讓黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦在室溫、高濕度環境下保持穩定，還替代了傳統有毒的有機溶劑，解決了鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題，實現了光伏領域的重大突破。

打破傳統溶劑體系

讓鈣鈦礦材料“暢快呼吸”

相比于傳統的單晶硅電池，鈣鈦礦光伏材料因輕薄、低廉、環保、柔性等優勢，成為研究熱點。在傳統認識上，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，在空氣中極易發生相轉變，發生材料老化和功能衰減，因此，需要在惰性氣體的保護下才能制備。同時，在現有認知范圍內，只有不超過5種溶劑被應用到鈣鈦礦材料中，但是這些溶劑均是有毒溶液。如此多的痛點讓鈣鈦礦材料的擴大應用舉步維艱。

“我們要做就做不一樣的東西?！蹦暇┕I大學陳永華教授總感覺在傳統溶劑體系內繼續做研究，有一種隔靴撓癢的感覺，“為什么不大膽設想一下，鈣鈦礦也可以在高濕度的空氣環境中制備?”于是，該團隊將研究的焦點集中到尋找一種環境友好、物理化學性質穩定、可調和的溶劑上。2017年，他們發現了一種綠色的質子型離子液體，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絡，同時有機陰離子與金屬鹵化物形成螯合物來調節前驅體溶液的性質。其獨特的化學作用能夠有效調控鈣鈦礦的結晶動力學過程，從而生長出高質量的鈣鈦礦薄膜?！毖芯繄F隊成員、南京工業大學碩士研究生蘆薈說道?；陔x子液體的特性，研究團隊在2020年構建出高效穩定的層狀鈣鈦礦太陽能電池，光電轉化效率達到18.06%，打破了當時的記錄。

建構反應“快速道”

光電轉化率大大提高

甲脒基鈣鈦礦由于其優異的性質被認為是接近理論極限效率最有希望的材料，然而其穩定性差，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。“要實現甲脒基鈣鈦礦的穩定性，關鍵在于如何提供牢固的碘化鉛結構，而得到牢固碘化鉛結構的第一步就是要制備出成分穩定的碘化鉛溶液?！标愑廊A解釋道。

研究團隊從多功能離子液體溶劑的結構設計和制備出發，發現離子液體甲酸甲胺的羰基可以與碘化鉛中的鉛產生螯合作用，胺基與碘形成氫鍵作用。“我們還欣喜地發現，在碘化鉛成膜過程中，這種相互作用牽引著碘化鉛晶體規則排列，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構，這些通道促進了碘甲脒滲透到碘化鉛薄膜中，從而快速和穩健地被轉化為甲脒基鈣鈦礦薄膜?！标愑廊A介紹道。

實驗結果表明，離子液體甲酸甲胺作鈣鈦礦前驅體溶劑所制備的器件最終實現了高達24.1%的光電轉化效率。并且未封裝的器件在85°C持續加熱和持續光照下，分別保持其初始效率的80%和90%達500小時。

綠色無毒、穩定高效、成本低廉，這項成果為鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產利用創造了前提條件。未來5年，他們將致力于實現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，真正實現鈣鈦礦電池的產業化大規模應用。