钙钛矿光伏器件研究入选“高校十大科技进展”

       作者：温才妃 杨芳

       日前，由教育部科技委组织评选的2021年度“中国高等学校十大科技进展”结果揭晓。中国科学院院士黄维、南京工业大学先进材料研究院教授陈永华团队完成的“高效稳定钙钛矿光伏器件研究”入选。

       “以光伏为代表的可再生能源已逐渐成为实现‘双碳’战略的主力军。”提及获奖项目的科学研究初衷，黄维如是说。未来5年，他们将致力于钙钛矿电池真正实现产业化大规模应用。

       发现问题——钙钛矿稳定性差

       黄维介绍道，立足于全球能源结构转型，日益凸显的气候变化问题促使世界经济加速向低碳化深入发展，“钙钛矿光伏具有性能优异、成本低廉等突出特点，商业价值巨大，入选了美国《科学》杂志2013年十大科学突破，是当前光伏领域发展的重要方向之一，是学术界和产业界的关注热点和焦点之一。”

       “相较于传统硅基和无机薄膜光伏技术，钙钛矿光伏最大的优势在于可溶液加工性，但钙钛矿相转变难且稳定性差等科学难题，限制了其快速发展。“陈永华表示，α-FAPbI3钙钛矿传统制备过程必须在惰性气氛中严格控制温度和相对湿度的条件下制备高质量钙钛矿薄膜或者钙钛矿中间体薄膜，这严重限制了钙钛矿太阳能电池的大规模生产和实践应用。

       解决难题——构筑“离子通道”

       针对这一关键科学技术难题，黄维、陈永华团队以离子液体为主线，针对钙钛矿光伏电池的稳定性，进行深入研究。陈永华介绍道，他们一方面原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薄膜新方法，实现空气中高质量钙钛矿薄膜制备；另一方面采用离子液体前驱体溶液化学调控新策略，稳定二维层状钙钛矿骨架，制备相纯的二维层状钙钛矿薄膜，实现二维层状钙钛矿稳定性的突破。“解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的难题。”

       团队创造性地在室温、高湿度下（大于90%）稳定了α-FAPbI3钙钛矿半导体，首次提出了基于甲酸甲胺离子液体溶剂，生长出取向排列且具有纳米级“离子通道”的碘化铅薄膜，实现了稳定α-FAPbI3快速形成。“未封装的器件在85℃持续加热和持续光照下，分别能保持其初始效率的80％和90％达500小时，获得了高效稳定的钙钛矿光伏电池。”参与项目研究的南京工业大学硕士生惠炜兴奋地表示。

       展望未来——实现规模化应用

       “找准‘病灶’，解决‘病症’，并不是一蹴而就的事。”陈永华介绍道，“团队以离子液体为主线，针对钙钛矿光伏电池的稳定性，进行了为期7年的深入系统研究，才研发出质子型离子液体溶剂制备钙钛矿薄膜的新方法，再发展了离子液体构筑‘离子通道’反应新方法，降低反应势垒，在室温和高湿度下形成了稳定的甲脒基钙钛矿薄膜，所以获得了高效稳定的钙钛矿光伏电池。”

       陈永华表示，团队在初期也为甲脒基钙为代表的钙钛矿材料“敏感体质”——必须在惰性气体保护下制备，只与不超过5种的溶剂相溶而头疼。“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？”一个“灵感”的迸发后，陈永华团队很快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，该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。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甲脒基钙钛矿太阳能电池，光电转化效率再次提升，相关研究成果于2021年3月26日刊发于《科学》，并获评2021年度“中国半导体十大研究进展”。

       “绿色无毒、稳定高效、成本低廉，我们的系列突破性成果，将有助于推动钙钛矿光伏电池产业化的进程，在清洁能源自主可控、高效利用、可持续发展等方面具有重要意义。”陈永华说，他们的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，他们将致力于实现钙钛矿电池面积从0.1平方厘米放大到平米级，真正实现产业化大规模应用。

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