離子液體及其制備的鈣鈦礦太陽能電池

研發(fā)的可折疊柔性電子產(chǎn)品? ? ? ? ? ? ?劉新科、研發(fā)團隊提供圖片

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

3月26日，《科學》（Science）在線發(fā)表了中國科學院院士、西北工業(yè)大學黃維團隊以一種多功能“離子液體”作溶劑替代傳統(tǒng)的有毒有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料的原創(chuàng)性成果。南京工業(yè)大學碩士生惠煒、西北工業(yè)大學博士生晁凌鋒及南京工業(yè)大學碩士生蘆薈為該成果論文共同第一作者。

據(jù)介紹，這一方法制備的材料不但具有穩(wěn)定性高、制備工藝簡單等優(yōu)勢，而且解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題，實現(xiàn)光伏領域的重大突破。

從“0到1”?解決鈣鈦礦光伏材料制備痛點

“基礎科研就是要做他人沒有做過的東西，產(chǎn)生引領性成果，讓全世界跟著我們?nèi)プ觥！秉S維常對團隊成員說，“原始創(chuàng)新是從‘0到1’的突破，常常意味著漫長而艱難的探索，但卻可能產(chǎn)生顛覆性的變革，帶來顛覆性的技術和產(chǎn)品?！?/p>

通過離子液體制備鈣鈦礦光伏材料，就是這樣從“0到1”的突破。

“碳中和、碳達峰”成為我國“十四五”污染防治攻堅戰(zhàn)的主攻目標，全球以“光伏”為代表的可再生能源產(chǎn)業(yè)鏈駛?cè)氚l(fā)展快車道。其中，鈣鈦礦光伏功不可沒，它相比傳統(tǒng)太陽能電池板中使用的硅晶體，不僅更便宜、更輕薄、可變型，同時成本也更低廉、更環(huán)保，在應用范圍上將產(chǎn)生顛覆性變革。因此，鈣鈦礦光伏材料的研究成為各國科學家追逐的“熱點”。

“未來，沙漠腹地、樓宇外墻、手機等都不再需要傳統(tǒng)電池，只需要一塊更低廉、更清潔，薄如紙張的鈣鈦礦太陽能電池，就能夠滿足所需。同時，還可以應用在柔性可穿戴、航天器搭載等重要領域?！?該團隊“大師兄”晁凌鋒對鈣鈦礦光伏材料應用前景充滿信心。

但鈣鈦礦光伏材料的研發(fā)始終存在許多“痛點”。例如，以甲脒基鈣鈦礦為代表的鈣鈦礦光伏材料非?！懊舾小保诳諝庵袠O易發(fā)生相轉(zhuǎn)變，極大地制約了其量產(chǎn)。

黃維團隊在多年探索中，將研究的焦點集中在鈣鈦礦光伏材料的制備工藝上，解決材料不穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)化率不高、工藝制備復雜且污染性較高等卡脖子難題。

要解決制備工藝的問題，首先要尋找到一種環(huán)境友好、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、可調(diào)和的溶劑?！皬囊婚_始，我們就跳出了鈣鈦礦光伏材料制備的傳統(tǒng)思路?！蹦暇┕I(yè)大學教授陳永華如是說。

歷經(jīng)不懈的克難攻堅，他們將離子液體溶劑引入制備過程后，鈣鈦礦光伏材料的制備過程就變得簡單，且整個過程完全可以在室溫、空氣中和高濕度的環(huán)境下進行。更令人驚喜的是，通過這一工藝制備的鈣鈦礦材料穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率都大大增加，“可謂是一石三鳥”。

“離子液體就像是草原上的‘牧羊犬’，在‘羊群’也就是鈣鈦礦的分子成分中起到了發(fā)號施令、排兵布陣的作用，它穩(wěn)定隊形后便無聲退出了。這個新隊形就是我們想要得到的鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性?！标肆桎h形象地解釋道。

該研究領域的世界科研工作者還在將主要精力放在第二代太陽能電池之時，他們就開始了對第三代太陽能電池的研究，實現(xiàn)了從“0到1”的突破。這項研究成果實現(xiàn)了功能導向、擇優(yōu)設計、綠色無毒、穩(wěn)定高效的離子液體鈣鈦礦光伏制備技術，為鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)利用創(chuàng)造了前提條件，開創(chuàng)了太陽能光伏材料制備的新紀元。

甘坐冷板凳? 走自主創(chuàng)新路

近年來，黃維團隊在鈣鈦礦電池研究領域創(chuàng)新成果不斷，始終處于國際引領位置。其背后的就是堅持原始創(chuàng)新，甘坐冷板凳。

“科研工作者必須胸懷祖國，科學研究必須服務人民。”這是每一位進入黃維團隊的師生都要上的“第一課”。

黃維認為，走入科研的“無人區(qū)”，考驗著科研工作者的能力水平，也體現(xiàn)著科學報國的初心與情懷?！拔覀兯龅?，正是堅定不移走中國特色自主創(chuàng)新道路。一要超前謀劃，獨辟蹊徑，開辟一個領域；二要牽住‘牛鼻子’，對偶然現(xiàn)象多加思考，攻克薄弱環(huán)節(jié)；三要‘非對稱’趕超，在卡脖子的地方下大功夫?！?/p>

“很難！有時感覺就像在一片神秘的叢林中開辟道路，不知道怎么走，會走向何方?！标肆桎h說。

在解決這一世界性難題過程中，2015年團隊就有了初步的想法。隨后，大家激烈地碰撞思想火花，但具體怎么干，沒人知道。晁凌鋒從零開始，一點點地摸索、嘗試，“不斷試錯、堅持不下去的時候，也想過放棄課題。”在關鍵時刻，兩位老師的指引和團隊成員的協(xié)作，給了他堅持下去的勇氣。

“2017年，我們另辟蹊徑，發(fā)現(xiàn)了一種綠色的質(zhì)子型離子液體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機溶劑，也就是找到了讓‘羊群’列隊的‘牧羊犬’?！标肆桎h認為，這絕不是一時的運氣，而是團隊日復一日的堅持和不斷創(chuàng)新的結(jié)果。

為了測試離子液體如何影響鈣鈦礦晶體結(jié)構轉(zhuǎn)變的內(nèi)部機制，他和師弟常常去往北京中國科學院高能物理研究所和上海同步輻射光源通宵達旦做實驗，“正是因為當時扎扎實實地做基礎研究，才能讓我們后面的研究走得更遠、更穩(wěn)。”

2019年，團隊成功地在空氣中制備了較為穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜。隨后，他們在高濕度條件下得到了穩(wěn)定的甲脒基鈣鈦礦結(jié)構，并在國際學科權威期刊發(fā)布研究成果，增強了大家信心。

時隔一年，團隊便構建出高效穩(wěn)定的層狀鈣鈦礦太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率再創(chuàng)新高。不久，他們又在濕度空氣中制備出了全無機鈣鈦礦太陽能電池，打破了學界對“全無機鈣鈦礦在空氣中高濕度下不穩(wěn)定”的傳統(tǒng)觀念。

2021年，這一研究成果更加成熟，離大規(guī)模生產(chǎn)應用更進一步。



關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情