从0到1重大突破!中国科研团队创新钙钛矿光伏材料制备工艺

    来源:中国新闻网

    钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells, PSC),是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池,也称作新概念太阳能电池。

    第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。与硅(Si)太阳能电池、砷化镓(GaAs)太阳能电池和碲化镉(CdTe)等传统光伏技术相比,钙钛矿型太阳能电池最吸引人的特点之一是它的溶液可加工特性,能够显著降低工艺成本,并且柔性器件的制备容易实现,将实现柔性可穿戴及半透明电池的多样化应用。

    从0到1重大突破!中国科研团队创新钙钛矿光伏材料制备工艺插图

    目前要制备高质量的钙钛矿薄膜,需要在惰性气氛中以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)为前体溶剂,以氯苯(CB)为抗溶剂,采用复杂的抗溶剂方法。 除溶剂处理问题和毒理学问题外,工艺繁琐的抗溶剂工程对操作技术和环境的要求较高,严重阻碍了PSCs的商业化进程。

    西北工业大学的黄维院士和南京工业大学的陈永华教授课题组联合报道了一种离子液体溶剂乙酸甲基胺(MAAc),创造性地在高湿度(大于90%)的条件下制备出高达24.1%的功率转换效率的FAPbI3钙钛矿太阳能电池。实现了功能导向、择优设计、绿色无毒、稳定高效的离子液体钙钛矿光伏制备成套技术,且制备的材料稳定性高、制备工艺简单,解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题,开创了太阳能光伏材料的新纪元。

    离子液体及其制备的钙钛矿太阳能电池

    离子液体及其制备的钙钛矿太阳能电池

    据悉,这一创新成果(“Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity, https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1359 DOI: 10.1126/science.abf7652.”)发表于国际期刊Science(《科学》)上。南京工业大学硕士研究生惠炜、西北工业大学博士研究生晁凌锋以及南京工业大学硕士研究生芦荟为本文共同一作,南京工业大学先进材料研究院为本文第一作者通讯单位。

    钙钛矿光伏材料制备工艺

    该工作是由南京工业大学先进材料研究院的黄维院士和陈永华教授团队独立提出并完成,受到中国科学院上海高等研究院高兴宇研究员、北京高能物理研究所张静研究员、南京工业大学黄晓教授以及澳门大学邢贵川教授的支持。

    目前,全球以“光伏”为代表的可再生能源产业链驶入发展快车道。其中,钙钛矿光伏“功不可没”,相比传统太阳能电池板中使用的硅晶体,它不仅更便宜、更轻薄、可变型,同时成本也更低廉、更环保,在应用范围上将产生颠覆性变革。因此,钙钛矿光伏材料的研究已成为各国科学家追逐的“热点”。

    “未来,沙漠腹地、楼宇外墙、手机等都不再需要传统电池,只需要一块更低廉、更清洁,薄如纸张的钙钛矿太阳能电池就能够满足所需。此项科技成果还可以应用在柔性可穿戴、航天器搭载等重要领域。”黄维院士认为,走入科研的“无人区”,考验着科研工作者的能力水平,也体现着科学报国的初心与情怀。“我们所做的,正是坚定不移走中国特色自主创新的道路。一要超前谋划,独辟蹊径,开辟一个领域;二要牵住‘牛鼻子’,对偶然现象多加思考,攻克薄弱环节;三要‘非对称’赶超,在卡脖子的地方下大功夫。”