日前，由教育部科技委組織評選的2021年度“中國高等學校十大科技進展”結果揭曉。記者從南京工業大學了解到，由中國科學院院士黃維、南京工業大學先進材料研究院陳永華教授團隊完成的“高效穩定鈣鈦礦光伏器件研究”成功入選。

發現問題——鈣鈦礦穩定性差

“以光伏為代表的可再生能源已逐漸成為實現‘雙碳’戰略的主力軍。”提及獲獎項目的科學研究初衷，黃維院士介紹說，立足于全球能源結構轉型，日益凸顯的氣候變化問題促使世界經濟加速向低碳化深入發展，“鈣鈦礦光伏具有性能優異、成本低廉等突出特點，商業價值巨大，入選了美國《科學》雜志2013年十大科學突破，是當前光伏領域發展的重要方向之一，是學術界和產業界的關注熱點和焦點之一。“

“相較于傳統硅基和無機薄膜光伏技術，鈣鈦礦光伏最大的優勢在于可溶液加工性，但鈣鈦礦相轉變難且穩定性差等科學難題，限制了其快速發展。“陳永華教授表示，α-FAPbI3鈣鈦礦傳統制備過程必須在惰性氣氛中嚴格控制溫度和相對濕度的條件下制備高質量鈣鈦礦薄膜或者鈣鈦礦中間體薄膜，這嚴重限制了鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產和實踐應用。

解決難題——構筑“離子通道”

針對這一關鍵科學技術難題，黃維院士、陳永華教授團隊以離子液體為主線，針對鈣鈦礦光伏電池的穩定性，進行深入研究。陳永華介紹道，他們一方面原創性地提出以一種多功能的離子液體作為溶劑，來替代傳統有機溶劑制備鈣鈦薄膜新方法，實現空氣中高質量鈣鈦礦薄膜制備；另一方面采用離子液體前驅體溶液化學調控新策略，穩定二維層狀鈣鈦礦骨架，制備相純的二維層狀鈣鈦礦薄膜，實現二維層狀鈣鈦礦穩定性的突破。“解決了傳統鈣鈦礦光伏材料制備過程中的難題。”

團隊創造性地在室溫、高濕度下（大于90%）穩定了α-FAPbI3鈣鈦礦半導體，首次提出了基于甲酸甲胺離子液體溶劑，生長出取向排列且具有納米級“離子通道”的碘化鉛薄膜，實現了穩定α-FAPbI3快速形成。“未封裝的器件在85℃持續加熱和持續光照下，分別能保持其初始效率的80％和90％達500小時，獲得了高效穩定的鈣鈦礦光伏電池。”參與項目研究的碩士生惠煒興奮地表示。

展望未來——實現規模化應用

“找準‘病灶’，解決‘病癥’，并不是一蹴而就的事。”陳永華介紹說，“團隊以離子液體為主線，針對鈣鈦礦光伏電池的穩定性，進行了為期7年的深入系統研究，才研發出質子型離子液體溶劑制備鈣鈦礦薄膜的新方法，再發展了離子液體構筑‘離子通道’反應新方法，降低反應勢壘，在室溫和高濕度下形成了穩定的甲脒基鈣鈦礦薄膜，所以獲得了高效穩定的鈣鈦礦光伏電池。”

陳永華介紹說，團隊在初期也為甲脒基鈣為代表的鈣鈦礦材料“敏感體質”——必須在惰性氣體保護下制備，只與不超過5種的溶劑相溶而頭疼。“為什么不大膽假設一下鈣鈦礦也可以在高濕度的空氣環境中制備？”一個“靈感”的迸發后，陳永華團隊很快將研究焦點集中到尋找一種環境友好、物理化學性質穩定、可調和的溶劑上。2017年，團隊發現了一種綠色的質子型離子液體，因其官能團的特殊性被引入制備過程。基于離子液體的特性，研究團隊在2020年構建出了高效穩定的甲脒基鈣鈦礦太陽能電池，光電轉化效率再次提升，相關研究成果于2021年3月26日刊發國際權威期刊《科學》，并獲評2021年度“中國半導體十大研究進展”。

“綠色無毒、穩定高效、成本低廉，我們的系列突破性成果，將有助于推動鈣鈦礦光伏電池產業化的進程，在清潔能源自主可控、高效利用、可持續發展等方面具有重要意義。”陳永華說，他們的成果為鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產利用創造了前提條件。未來5年，他們將致力于實現鈣鈦礦電池面積從0.1平方厘米放大到平米級，真正實現產業化大規模應用。

據了解，“中國高等學校十大科技進展”自1998年起開展評選，每年從全國高校中評選出10項具有重大科技進展的優秀成果，旨在促進高校科學技術整體水平提升，增強科技創新能力，受到了國內各高校高度重視。

通訊員  楊芳

揚子晚報/紫牛新聞記者  楊甜子

校對 王菲