中國粉體網(wǎng)訊 3月26日，《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表了中國科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)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(xué)碩士生惠煒、西北工業(yè)大學(xué)博士生晁凌鋒及南京工業(yè)大學(xué)碩士生蘆薈為該成果論文共同第一作者。
離子液體及其制備的鈣鈦礦太陽能電池
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(lǐng)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(chǔ)科研就是要做他人沒有做過的東西，產(chǎn)生引領(lǐng)性成果，讓全世界跟著我們?nèi)プ�。”黃維常對團隊成員說，“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(shù)和產(chǎn)品�！�
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(biāo)，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(yīng)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(xué)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(yīng)用在柔性可穿戴、航天器搭載等重要領(lǐng)域。” 該團隊“大師兄”晁凌鋒對鈣鈦礦光伏材料應(yīng)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�，在空氣中極易發(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(fù)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可調(diào)和的溶劑。“從一開始，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(xué)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(lǐng)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(dǎo)向、擇優(yōu)設(shè)計、綠色無毒、穩(wěn)定高效的離子液體鈣鈦礦光伏制備技術(shù)，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(jì)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(lǐng)域創(chuàng)新成果不斷，始終處于國際引領(lǐng)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(xué)研究必須服務(wù)人民�！边@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(xué)報國的初心與情懷�！拔覀兯龅模菆远ú灰谱咧袊厣灾鲃�(chuàng)新道路。一要超前謀劃，獨辟蹊徑，開辟一個領(lǐng)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�！�
“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。”晁凌鋒說。
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�！痹陉P(guān)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(fù)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(gòu)轉(zhuǎn)變的內(nèi)部機制，他和師弟常常去往北京中國科學(xué)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(dāng)時扎扎實實地做基礎(chǔ)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(gòu)，并在國際學(xué)科權(quán)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(gòu)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(xué)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(yīng)用更進一步。
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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