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作者:王翠萍 张行勇 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/26 17:41:03
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从0到1!黄维院士团队创新钙钛矿光伏材料

 

 

离子液体及其制备的钙钛矿太阳能电池

研发的可折叠柔性电子产品             刘新科、研发团队提供图片

                                        

3月26日,《科学》(Science)在线发表了中国科学院院士、西北工业大学黄维团队以一种多功能“离子液体”作溶剂替代传统的有毒有机溶剂制备钙钛矿光伏材料的原创性成果。南京工业大学硕士生惠炜、西北工业大学博士生晁凌锋及南京工业大学硕士生芦荟为该成果论文共同第一作者。

据介绍,这一方法制备的材料不但具有稳定性高、制备工艺简单等优势,而且解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题,实现光伏领域的重大突破。

从“0到1” 解决钙钛矿光伏材料制备痛点

“基础科研就是要做他人没有做过的东西,产生引领性成果,让全世界跟着我们去做。”黄维常对团队成员说,“原始创新是从‘0到1’的突破,常常意味着漫长而艰难的探索,但却可能产生颠覆性的变革,带来颠覆性的技术和产品。”

通过离子液体制备钙钛矿光伏材料,就是这样从“0到1”的突破。

“碳中和、碳达峰”成为我国“十四五”污染防治攻坚战的主攻目标,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,它相比传统太阳能电池板中使用的硅晶体,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。同时,还可以应用在柔性可穿戴、航天器搭载等重要领域。” 该团队“大师兄”晁凌锋对钙钛矿光伏材料应用前景充满信心。

但钙钛矿光伏材料的研发始终存在许多“痛点”。例如,以甲脒基钙钛矿为代表的钙钛矿光伏材料非常“敏感”,在空气中极易发生相转变,极大地制约了其量产。

黄维团队在多年探索中,将研究的焦点集中在钙钛矿光伏材料的制备工艺上,解决材料不稳定、光电转化率不高、工艺制备复杂且污染性较高等卡脖子难题。

要解决制备工艺的问题,首先要寻找到一种环境友好、物理化学性质稳定、可调和的溶剂。“从一开始,我们就跳出了钙钛矿光伏材料制备的传统思路。”南京工业大学教授陈永华如是说。

历经不懈的克难攻坚,他们将离子液体溶剂引入制备过程后,钙钛矿光伏材料的制备过程就变得简单,且整个过程完全可以在室温、空气中和高湿度的环境下进行。更令人惊喜的是,通过这一工艺制备的钙钛矿材料稳定性和光电转化率都大大增加,“可谓是一石三鸟”。

“离子液体就像是草原上的‘牧羊犬’,在‘羊群’也就是钙钛矿的分子成分中起到了发号施令、排兵布阵的作用,它稳定队形后便无声退出了。这个新队形就是我们想要得到的钙钛矿电池的稳定性。”晁凌锋形象地解释道。

该研究领域的世界科研工作者还在将主要精力放在第二代太阳能电池之时,他们就开始了对第三代太阳能电池的研究,实现了从“0到1的突破。这项研究成果实现了功能导向、择优设计、绿色无毒、稳定高效的离子液体钙钛矿光伏制备技术,为钙钛矿太阳能电池的大规模生产利用创造了前提条件,开创了太阳能光伏材料制备的新纪元。

甘坐冷板凳  走自主创新路

近年来,黄维团队在钙钛矿电池研究领域创新成果不断,始终处于国际引领位置。其背后的就是坚持原始创新,甘坐冷板凳。

“科研工作者必须胸怀祖国,科学研究必须服务人民。”这是每一位进入黄维团队的师生都要上的“第一课”。

黄维认为,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。”

“很难!有时感觉就像在一片神秘的丛林中开辟道路,不知道怎么走,会走向何方。”晁凌锋说。

在解决这一世界性难题过程中,2015年团队就有了初步的想法。随后,大家激烈地碰撞思想火花,但具体怎么干,没人知道。晁凌锋从零开始,一点点地摸索、尝试,“不断试错、坚持不下去的时候,也想过放弃课题。”在关键时刻,两位老师的指引和团队成员的协作,给了他坚持下去的勇气。

“2017年,我们另辟蹊径,发现了一种绿色的质子型离子液体来代替传统的有机溶剂,也就是找到了让‘羊群’列队的‘牧羊犬’。”晁凌锋认为,这绝不是一时的运气,而是团队日复一日的坚持和不断创新的结果。

为了测试离子液体如何影响钙钛矿晶体结构转变的内部机制,他和师弟常常去往北京中国科学院高能物理研究所和上海同步辐射光源通宵达旦做实验,“正是因为当时扎扎实实地做基础研究,才能让我们后面的研究走得更远、更稳。”

2019年,团队成功地在空气中制备了较为稳定的钙钛矿薄膜。随后,他们在高湿度条件下得到了稳定的甲脒基钙钛矿结构,并在国际学科权威期刊发布研究成果,增强了大家信心。

时隔一年,团队便构建出高效稳定的层状钙钛矿太阳能电池,光电转化效率再创新高。不久,他们又在湿度空气中制备出了全无机钙钛矿太阳能电池,打破了学界对“全无机钙钛矿在空气中高湿度下不稳定”的传统观念。

2021年,这一研究成果更加成熟,离大规模生产应用更进一步。

 
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