【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授團隊成功開發(fā)了一種綠色溶劑體系，用于大面積制備寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池。該溶劑體系結(jié)合了綠色無毒的二甲基亞砜(DMSO)、乙腈(ACN)和乙醇(EtOH)，解決了傳統(tǒng)溶劑在使用過程中對環(huán)境、健康和安全造成的嚴(yán)重問題，為鈣鈦礦疊層太陽能電池的量產(chǎn)制備和商業(yè)化應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。為實現(xiàn)“雙碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)，加快建設(shè)新型低碳清潔能源體系，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出需要大力開展鈣鈦礦/鈣鈦礦(簡稱“全鈣鈦礦”)、鈣鈦礦/晶硅等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究。譚海仁教授課題組一直致力于新型鈣鈦礦疊層電池技術(shù)的應(yīng)用研究。近年來，團隊通過可量產(chǎn)化制備技術(shù)在國際上首次制備了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件(認(rèn)證效率21.7%， Science 2022)，并進(jìn)一步通過對窄帶隙鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控和界面鈍化，實現(xiàn)了24.5%認(rèn)證效率的疊層組件(Science 2024)。
 

　　寬帶隙鈣鈦礦在鈣鈦礦疊層太陽能電池中起著至關(guān)重要的作用，通常與窄帶隙光吸收材料如晶體硅、銅銦鎵硒(CIGS)和鈣鈦礦本身結(jié)合使用。然而，傳統(tǒng)的溶劑如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)存在嚴(yán)重的環(huán)境和健康風(fēng)險，純DMSO作為溶劑在大規(guī)模制備中難以形成均勻致密的薄膜。
 

　　為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種新型的綠色無毒溶劑體系，該體系包括DMSO、ACN和EtOH。DMSO作為路易斯堿，能夠強烈配位并溶解銫和溴化物鹽，而ACN的高揮發(fā)性有助于鈣鈦礦薄膜的加速結(jié)晶過程。EtOH則用于防止前驅(qū)體降解并延長處理窗口，從而形成致密且無孔洞的大面積鈣鈦礦薄膜。
 

　　為了避開有毒的DMF/DMSO溶劑，研究人員最初選擇了DMSO/ACN溶劑混合物。然而，DMSO/ACN體系中的低受體數(shù)(AN)導(dǎo)致碘離子(I-)和溴離子(Br-)容易形成[PbXm]2-m化合物，從而產(chǎn)生無序的鈣鈦礦薄膜。通過引入EtOH，由于其較高的AN值和更強的鍵合能力，可以有效調(diào)節(jié)溶劑的揮發(fā)速率，促進(jìn)寬帶隙鈣鈦礦的結(jié)晶。研究發(fā)現(xiàn)，在DMSO/ACN/EtOH混合溶劑體系中，EtOH的加入不僅減少了PbI3?化合物的濃度，還增加了DMSO-PbI2加合物的濃度，從而形成更小、更均勻的膠體顆粒。此外，EtOH通過與甲脒(FA?)相互作用，阻止FA?的去質(zhì)子化，從而增強了前驅(qū)體溶液的穩(wěn)定性。這些結(jié)果表明，優(yōu)化的DMSO/ACN/EtOH溶劑體系不僅提高了鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的穩(wěn)定性和均勻性，還為大規(guī)模生產(chǎn)提供了有利條件。
 

　　圖1. 鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的作用力和膠體性質(zhì)。(a)不同常用溶劑的危害程度示意圖；(b-f)乙醇與鉛鹵化合物的作用力表征及其對應(yīng)的膠體性質(zhì)變化；(g-h)乙醇防止溶液降解的表征。

 

　　研究人員進(jìn)一步通過刮涂工藝制備了寬帶隙鈣鈦礦薄膜，并優(yōu)化了工藝參數(shù)，以實現(xiàn)高質(zhì)量的薄膜制備。研究表明，采用DMSO/ACN/EtOH溶劑體系的鈣鈦礦溶液在5-11 mm/s的刮涂速度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更寬的加工窗口，優(yōu)于僅使用DMSO/ACN或傳統(tǒng)的DMF/DMSO的體系。乙醇的加入降低了溶液與基底之間的接觸角，改善了表面張力，從而促進(jìn)了均勻薄膜的形成。此外，DMSO/ACN/EtOH溶劑體系中的膠體性質(zhì)影響了結(jié)晶動力學(xué)，形成了更小、更均勻的晶核分布，有利于制備均勻且無孔洞的鈣鈦礦薄膜。該體系還減少了PbI3?化合物的濃度，增加了DMSO-PbI2加合物的濃度，從而拓寬了加工窗口，并在薄膜表面形成了更多的PbI2，增強了晶界的鈍化效果。與傳統(tǒng)的溶劑體系相比，DMSO/ACN/EtOH體系制備的薄膜與基底界面更加平滑緊湊，減少了孔洞的形成，抑制了非輻射復(fù)合，提高了薄膜的均勻性。
 

　　圖2. 刮涂鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學(xué)和薄膜性質(zhì)。(a)不同溶劑的Landau-Levich曲線；(b-e)不同溶劑對應(yīng)的鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學(xué)；(f-h)薄膜性質(zhì)表征。

 

　　利用這種綠色溶劑體系，研究人員成功制備了帶隙值為1.78 eV和1.68 eV的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池，分別實現(xiàn)了19.6%和21.5%的高光電轉(zhuǎn)換效率。在此基礎(chǔ)上，制備了1 cm2的全鈣鈦礦和鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池，分別達(dá)到了26.3%和27.8%的光電轉(zhuǎn)換效率；此外，大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件也實現(xiàn)了23.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。更令人振奮的是，該綠色溶劑體系適于在大氣環(huán)境下制備寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池，在大氣條件下制備寬帶隙子電池的全鈣鈦礦疊層組件實現(xiàn)了23.1%的光電轉(zhuǎn)換效率。
 

　　圖3. 使用綠色溶劑制備器件的光伏性能。(a-f)1 cm2的鈣鈦礦單結(jié)和疊層器件性能；(b-e)20.25 cm2的全鈣鈦礦疊層組件性能。

 

　　相關(guān)研究成果于2024年11月15日以”Scalable fabrication of wide-bandgap perovskites using green solvents for tandem solar cells”為題，發(fā)表于Nature Energy期刊。該研究為實現(xiàn)高效低成本鈣鈦礦光伏技術(shù)的綠色制造提供了新途徑。南京大學(xué)2021級博士生段晨陽、博士后高寒、博士后肖科和加拿大維多利亞大學(xué)博士生Vishal Yeddu為論文的共同第一作者，南京大學(xué)博士后肖科、加拿大維多利亞大學(xué)Makhsud I. Saidaminov教授和南京大學(xué)譚海仁教授為共同通訊作者。該項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心基金、江蘇省物理科學(xué)研究中心基金、江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計劃、中國博士后科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金創(chuàng)新型人才支持項目和加拿大研究主席計劃的資助。仁爍光能(蘇州)有限公司、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、江蘇省物理科學(xué)研究中心和澳大利亞國立大學(xué)為本研究提供了重要支持。