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多功能离子液体作溶剂 钙钛矿不再“怕潮湿”

[日期:2021-04-01]   来源:科技日报  作者:   [字体: ]

3月28日,科技日报记者从南京工业大学获悉,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的一项成果,近日在国际顶级期刊《科学》发表。研究团队开创性地提出以一种多功能的离子液体作为溶剂,来替代传统有机溶剂制备钙钛矿光伏材料,实现了黑相甲脒铅碘钙钛矿在室温、高湿度环境下的稳定性,解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题。

相比传统的单晶硅电池,钙钛矿光伏材料因具有轻薄、低廉、环保、可柔性等优势成为研究热点。在传统认识中,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非常“敏感”,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种溶剂能被应用到钙钛矿材料中,如此多的“痛点”让其扩大应用举步维艰。

“为什么不大胆假设一下钙钛矿也可以在高湿度的空气环境中制备?”很快,陈永华团队将研究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,团队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。”论文共同第一作者说。

基于离子液体的特性,研究团队在2020年构建出了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%。

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

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摄氏度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,陈永华说:“未来5年,我们将致力于实现钙钛矿电池面积从0.1平方厘米放大到100平方厘米,真正实现产业化大规模应用。”


 



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