南京工业大学：钙钛矿光电转化效率达到国际领先水平

2022-09-02 10:54:10 来源：南京日报

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简介：“这个比例的溶液好像更好一些，稳定性数据更优一些……”南京工业大学先进材料（2022金属材料分析测试与模拟计算大会）研究院柔性电子重点实验室里，胡浙鲁副教授正带着学生们进行实验比对，他们谈论热烈、神情专注。连续7年，他们都在进行太阳能新材料“钙钛矿”的研究，数千次实验，已经让“钙钛矿太阳能电池”的光电转换效率达到国际领先水平。

“这个比例的溶液好像更好一些，稳定性数据更优一些……”南京工业大学先进材料（2022金属材料分析测试与模拟计算大会）研究院柔性电子重点实验室里，胡浙鲁副教授正带着学生们进行实验比对，他们谈论热烈、神情专注。连续7年，他们都在进行太阳能新材料“钙钛矿”的研究，数千次实验，已经让“钙钛矿太阳能电池”的光电转换效率达到国际领先水平。现在，他们依旧在争分夺秒进行实验，就是希望可助力“钙钛矿”产业化，让我国以太阳能为代表的新能源发展提速。

科研人员在实验室做实验。南京日报/紫金山新闻记者李花摄

他们研究啥——钙钛矿可否替代晶硅？实验来探索

放弃假期也要去做实验研究的究竟是啥？答案是钙钛矿。南京工业大学先进材料研究院教授陈永华告诉记者，这是一种太阳能发电的新型材料。目前太阳能发电用的材料是晶硅，但成本高工艺复杂，科学家们在探索时发现，钙钛矿可能是个不错的替代品。

“新能源的探索，我们必须夜以继日。”陈永华说，当前，以太阳能为代表的新能源迅速发展，但总体比例还处在可以忽略不计的阶段。而我国传统煤炭为主的能源结构对环境造成负担，且化石能源终将枯竭，发展以太阳能为主的绿色新能源、实现能源结构优化迫在眉睫。将太阳能转换成电能，需要一个转化物质，目前，虽然科学家们认可了钙钛矿光伏材料，也觉得是个方向，但如何将之适应市场，以什么样的标准来替代晶硅，全世界相关科学家都在研究和探索。南京工业大学先进材料（2022金属材料分析测试与模拟计算大会）研究院黄维院士、陈永华教授团队也决定加盟这个探索，攻克难题，2015年，团队开启实验。

怎么去研究——废寝忘食“养小孩”，希望它们都“成材”

然而，从粉末变成性价比超高的“发电中介”，并没那么容易。在手套箱（水氧含量接近真空）里，钙钛矿很“能干”，将太阳能转化电能的能力竟然和晶硅差不多。“这个实验结果着实让我们提升信心。”研究人员晁凌锋告诉记者，他们更加确定了研究方向。

可是，他们很快就发现了问题：很难在空气中制备获得高质量的钙钛矿薄膜，而且其极易老化降解，稳定性非常差。钙钛矿光伏区别传统光伏最大的特色之一即可溶液加工性。实验过程中，科研人员意外发现，离子液体溶剂可以让钙钛矿实现在空气中制备。那么，什么离子液体溶剂最好？什么样的成分构成比才最有效？团队开发了一系列新颖的离子液体溶剂，比如醋酸甲胺MAAc、醋酸丁胺BAAc、甲酸甲胺MAFa等，有了这些离子液体溶剂的加盟，团队提出了在空气中制备钙钛矿薄膜并获得高效稳定的钙钛矿太阳能电池的新方法，打破了传统使用的高毒性、强配位的质子型DMF、DMSO、NMP等溶剂的限制。

“大部分实验都是失败的。每次制备钙钛矿薄膜就像‘养孩子’。从给他调配‘营养’开始，到给他最好的光度和温度，希望他茁壮成长，然后不停让他考试，希望成为栋梁之材。”晁凌锋说，如果实验失败，没有达到想要的结果，心里是很难过的，“就像你寄予厚望、精心栽培的种子选手没有取得好成绩时的那种心情。吃饭吃不香。”

研究有啥成果——效能达国际领先水平，为新能源发展提速

夜以继日忙研究，有没有新成果？陈永华告诉记者，他们团队有30多人专门研究钙钛矿，效率从1%到24%，7年来，数千次实验，已经让太阳能电池新能源的钙钛矿光电转化效率达到国际领先水平。

科研团队实现了室温下、高湿度空气中甲脒基钙钛矿的制备，获得了高效且稳定的钙钛矿光伏电池，达到了国际该领域的先进水平。他们的成果发表于国际顶尖期刊《科学》杂志，入选2021年度“中国高等学校十大科技进展”和2021年度“中国半导体十大研究进展”。

根据国家发改委能源研究所的预测，到2050年，光伏将成为中国的第一大电源。陈永华说，他们需要更努力积极探索，为未来产业化、大面积制备钙钛矿太阳能电池奠定基础，助力新能源（2022全国新能源材料产学研合作线上报告会）发展提速。