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我开创离子液体钙钛矿材料制备技术

A-A+日期:2021-03-30来源:中国化工报    

钙钛矿电池产业化大规模应用再进一步

  3月26日,中国科学院院士黄维、南京工业大学先进材料研究院陈永华教授团队提出的以一种多功能的离子液体作为溶剂制备钙钛矿光伏材料的原创技术在线发表在顶级期刊《科学》上。

  该技术于不仅让黑相甲脒铅碘钙钛矿在室温、高湿度环境下保持稳定,还替代了传统有毒的有机溶剂,解决了钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题,实现了光伏领域的重大突破。

  打破传统溶剂体系

  让钙钛矿材料“畅快呼吸”

  相比于传统的单晶硅电池,钙钛矿光伏材料因轻薄、低廉、环保、柔性等优势,成为研究热点。在传统认识上,钙钛矿光伏材料怕水、怕空气,尤其是以甲脒基钙钛矿为代表的钙钛矿光伏材料就对此非常敏感,在空气中极易发生相转变,发生材料老化和功能衰减,因此,需要在惰性气体的保护下才能制备。同时,在现有认知范围内,只有不超过5种溶剂被应用到钙钛矿材料中,但是这些溶剂均是有毒溶液。如此多的痛点让钙钛矿材料的扩大应用举步维艰。

  “我们要做就做不一样的东西。”南京工业大学陈永华教授总感觉在传统溶剂体系内继续做研究,有一种隔靴挠痒的感觉,“为什么不大胆设想一下,钙钛矿也可以在高湿度的空气环境中制备?”于是,该团队将研究的焦点集中到寻找一种环境友好、物理化学性质稳定、可调和的溶剂上。2017年,他们发现了一种绿色的质子型离子液体,因其官能团的特殊性,被引入制备过程。

  “离子液体独特的阴离子和阳离子结构能够在溶液中形成庞大的氢键网络,同时有机阴离子与金属卤化物形成螯合物来调节前驱体溶液的性质。其独特的化学作用能够有效调控钙钛矿的结晶动力学过程,从而生长出高质量的钙钛矿薄膜。”研究团队成员、南京工业大学硕士研究生芦荟说道。基于离子液体的特性,研究团队在2020年构建出高效稳定的层状钙钛矿太阳能电池,光电转化效率达到18.06%,打破了当时的记录。

  建构反应“快速道”

  光电转化率大大提高

  甲脒基钙钛矿由于其优异的性质被认为是接近理论极限效率最有希望的材料,然而其稳定性差,极易在高湿度条件下分解。

  由甲脒基钙钛矿材料组成的钙钛矿薄膜,上半部是碘甲脒,下半部分是碘化铅。“要实现甲脒基钙钛矿的稳定性,关键在于如何提供牢固的碘化铅结构,而得到牢固碘化铅结构的第一步就是要制备出成分稳定的碘化铅溶液。”陈永华解释道。

  研究团队从多功能离子液体溶剂的结构设计和制备出发,发现离子液体甲酸甲胺的羰基可以与碘化铅中的铅产生螯合作用,胺基与碘形成氢键作用。“我们还欣喜地发现,在碘化铅成膜过程中,这种相互作用牵引着碘化铅晶体规则排列,形成了一系列具有纳米级‘离子通道’且垂直生长的碘化铅晶体结构,这些通道促进了碘甲脒渗透到碘化铅薄膜中,从而快速和稳健地被转化为甲脒基钙钛矿薄膜。”陈永华介绍道。

  实验结果表明,离子液体甲酸甲胺作钙钛矿前驱体溶剂所制备的器件最终实现了高达24.1%的光电转化效率。并且未封装的器件在85°C持续加热和持续光照下,分别保持其初始效率的80%和90%达500小时。

  绿色无毒、稳定高效、成本低廉,这项成果为钙钛矿太阳能电池的大规模生产利用创造了前提条件。未来5年,他们将致力于实现将钙钛矿太阳能电池片从0.1平方厘米放大到100平方厘米,真正实现钙钛矿电池的产业化大规模应用。

 

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