近日，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院趙一新教授團(tuán)隊(duì)在Nature Sustainability發(fā)表了題為“Green solvent enabled scalable processing of perovskite solar cells with high efficiency”的研究論文。在該工作中，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型綠色溶劑，解決了鈣鈦礦墨水存儲(chǔ)穩(wěn)定性難題，并實(shí)現(xiàn)了高性能大面積鈣鈦礦光伏組件的綠色環(huán)保制備。上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院助理研究員繆炎峰和博士生任孟為該研究工作的共同第一作者，趙一新教授與王天富長(zhǎng)聘副教授為共同通訊作者。

    鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)之一是可以通過(guò)溶液法來(lái)低成本、低能耗地制備高性能器件。目前常用的溶劑是N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜（DMF:DMSO），為了提高薄膜的光電性能，還會(huì)使用氯苯作為反溶劑來(lái)調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程。然而，DMF:DMSO和氯苯都是有毒溶劑，因此面臨著人體毒性和環(huán)境污染的問(wèn)題。同時(shí)，基于DMF:DMSO的鈣鈦礦墨水還存在著存儲(chǔ)穩(wěn)定性差（小于2天）和成膜過(guò)程操作窗口窄（幾秒鐘）的難題，進(jìn)一步限制了鈣鈦礦光伏的大規(guī)模生產(chǎn)。此外，由于DMF:DMSO與碘化鉛的強(qiáng)相互作用，使得甲脒鉛碘鈣鈦礦（FAPbI3）薄膜制備過(guò)程中會(huì)先形成黃相非鈣鈦礦（δ-FAPbI3），然后再經(jīng)過(guò)退火轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄怆娦阅艿暮谙噔}鈦礦（α-FAPbI3）。這就導(dǎo)致α-FAPbI3薄膜中存在少量的δ-FAPbI3殘留，從而影響了太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖1 DMF:DMSO溶劑面臨的問(wèn)題及GVL溶劑的優(yōu)勢(shì)

    為解決上述問(wèn)題，趙一新團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于綠色溶劑制備大面積鈣鈦礦薄膜及組件的方法。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用可以由生物質(zhì)合成的綠色γ-戊內(nèi)酯（GVL）作為溶劑能大幅度提升鈣鈦礦墨水的存儲(chǔ)穩(wěn)定性（超過(guò)一年）。溶液化學(xué)研究表明，GVL和FA+陽(yáng)離子具有更強(qiáng)的氫鍵作用，因此能夠顯著提高FA+陽(yáng)離子的穩(wěn)定性，并擴(kuò)展了薄膜制備的操作窗口，從而能夠通過(guò)反溶劑浴對(duì)大面積鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)控。基于該工藝的FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了25.09%。這種方法還幫助實(shí)現(xiàn)了5cm × 5cm和10cm × 10cm光伏組件的可控制備，并獲得了國(guó)際領(lǐng)先的22.06%和20.46%的活性面積效率。值得注意的是，此項(xiàng)工作中所用的溶劑GVL和反溶劑乙酸丁酯都是可作為食品添加劑的無(wú)毒溶劑，并且GVL可通過(guò)生物質(zhì)合成獲得，因此該綠色溶液體系解決了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造過(guò)程的安全環(huán)保難題。

圖2 基于GVL的鈣鈦礦墨水制備的光伏組件及性能

    此項(xiàng)工作深入研究了鈣鈦礦墨水的溶液化學(xué)特性，揭示了FAPbI3的GVL溶液體系中[PbIx]2-x以及FA+和GVL間的強(qiáng)相互作用，解決了鈣鈦礦墨水面臨的毒性大、穩(wěn)定性差、操作窗口窄的難題，為進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)基于新型綠色溶劑的鈣鈦礦器件/組件提供了重要思路。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

    論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41893-023-01196-4