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鈣鈦礦不再“怕濕度”

來源:新華日報

鈣鈦礦不再“怕濕度”!光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到24.1%!3月26日,中國科學(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)隊開創(chuàng)地提出,以一種多 功能的“離子液體”作為溶劑來替代傳統(tǒng)有毒的有機(jī)溶劑制備鈣鈦礦光伏材料,實現(xiàn)了黑相甲脒鉛碘(α-FAPbI3)鈣鈦礦在室溫、高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定, 解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界難題,實現(xiàn)了光伏領(lǐng)域重大突破。相關(guān)成果發(fā)表在國際頂級期刊《科學(xué)》上。

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、可柔等優(yōu)勢,成為研究熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)認(rèn)識上,鈣鈦礦光伏材料怕水、怕空氣,需要在惰氣體的 保護(hù)下才能制備。在現(xiàn)有認(rèn)知范圍內(nèi),只有不超過5種溶劑被應(yīng)用到鈣鈦礦材料中,且這些溶劑均是有毒溶液。如此多的“痛點(diǎn)”讓鈣鈦礦的擴(kuò)大應(yīng)用舉步維艱。

在傳統(tǒng)溶劑體系內(nèi)繼續(xù)做研究,總讓陳永華有種“隔靴撓癢”的感覺。2017年,團(tuán)隊發(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,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,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)晶動力學(xué)過程,從而生長出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。”論文共同第一作者蘆薈介紹說?;陔x子液體的特,研究團(tuán)隊在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)時的記錄效率。

研究團(tuán)隊從多功能離子液體溶劑的結(jié)構(gòu)設(shè)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。“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‘離子通道’且垂直生長的碘化鉛晶體結(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。”陳永華說。

實驗結(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℃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。

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,但陳永華拿著0.1方厘米大小的鈣鈦礦太陽能電池片,卻有 新的打算。他說:“未來5年,我們將致力于實現(xiàn)從0.1方厘米放大到100方厘米,真正實現(xiàn)鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。”(謝詩涵 蔣廷玉)

標(biāo)簽: 鈣鈦礦 光伏

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