多功能離子液體作溶劑 鈣鈦礦不再“怕潮濕” 近日在國際頂級期刊《科學》發表

3月28日，科技日報記者從南京工業大學獲悉，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的一項成果，近日在國際頂級期刊《科學》發表。研究團隊開創性地提出以一種多功能的離子液體作為溶劑，來替代傳統有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，實現了黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦在室溫、高濕度環境下的穩定性，解決了傳統鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題。

相比傳統的單晶硅電池，鈣鈦礦光伏材料因具有輕薄、低廉、環保、可柔性等優勢成為研究熱點。在傳統認識中，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非常“敏感”，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種溶劑能被應用到鈣鈦礦材料中，如此多的“痛點”讓其擴大應用舉步維艱。

“為什么不大膽假設一下鈣鈦礦也可以在高濕度的空氣環境中制備?”很快，陳永華團隊將研究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，團隊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。”論文共同第一作者說。

基于離子液體的特性，研究團隊在2020年構建出了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%。

甲脒基鈣鈦礦由于優異的性質，被認為是最有希望接近理論極限效率的材料，然而其穩定性差，極易在高濕度條件下分解。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。

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攝氏度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，陳永華說：“未來5年，我們將致力于實現鈣鈦礦電池面積從0.1平方厘米放大到100平方厘米，真正實現產業化大規模應用。”(通訊員朱琳記者金鳳)