中國(guó)粉體網(wǎng)訊 3月26日，《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)黃維團(tuán)隊(duì)以一種多功能“離子液體”作溶劑替代傳統(tǒng)的有毒有機(jī)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(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(diǎn)
“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)プ觥！秉S維常對(duì)團(tuán)隊(duì)成員說，“原始創(chuàng)新是從‘0到1’的突破，常常意味著漫長(zhǎng)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(dá)峰”成為我國(guó)“十四五”污染防治攻堅(jiān)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(shí)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(guó)科學(xué)家追逐的“熱點(diǎn)”。
“未來，沙漠腹地、樓宇外墻、手機(jī)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(shí)，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(tuán)隊(duì)“大師兄”晁凌鋒對(duì)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(diǎn)”。例如，以甲脒基鈣鈦礦為代表的鈣鈦礦光伏材料非常“敏感”，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(tuán)隊(duì)在多年探索中，將研究的焦點(diǎn)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(jiān)，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(jiǎn)單，且整個(gè)過程完全可以在室溫、空氣中和高濕度的環(huán)境下進(jìn)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(hào)施令、排兵布陣的作用，它穩(wěn)定隊(duì)形后便無聲退出了。這個(gè)新隊(duì)形就是我們想要得到的鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。”晁凌鋒形象地解釋道。
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(shí)，他們就開始了對(duì)第三代太陽能電池的研究，實(shí)現(xiàn)了從“0到1”的突破。這項(xiàng)研究成果實(shí)現(xiàn)了功能導(dǎo)向、擇優(yōu)設(shè)計(jì)、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(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦電池研究領(lǐng)域創(chuàng)新成果不斷，始終處于國(guó)際引領(lǐng)位置。其背后的就是堅(jiān)持原始創(chuàng)新，甘坐冷板凳。
“科研工作者必須胸懷祖國(guó)，科學(xué)研究必須服務(wù)人民。”這是每一位進(jìn)入黃維團(tuán)隊(duì)的師生都要上的“第一課”。
黃維認(rèn)為，走入科研的“無人區(qū)”，考驗(yàn)著科研工作者的能力水平，也體現(xiàn)著科學(xué)報(bào)國(guó)的初心與情懷�！拔覀兯龅�，正是堅(jiān)定不移走中國(guó)特色自主創(chuàng)新道路。一要超前謀劃，獨(dú)辟蹊徑，開辟一個(gè)領(lǐng)域;二要牽住‘牛鼻子’，對(duì)偶然現(xiàn)象多加思考，攻克薄弱環(huán)節(jié);三要‘非對(duì)稱’趕超，在卡脖子的地方下大功夫。”
“很難!有時(shí)感覺就像在一片神秘的叢林中開辟道路，不知道怎么走，會(huì)走向何方�！标肆桎h說。
在解決這一世界性難題過程中，2015年團(tuán)隊(duì)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(diǎn)點(diǎn)地摸索、嘗試，“不斷試錯(cuò)、堅(jiān)持不下去的時(shí)候，也想過放棄課題�！痹陉P(guān)鍵時(shí)刻，兩位老師的指引和團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作，給了他堅(jiān)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(jī)溶劑，也就是找到了讓‘羊群’列隊(duì)的‘牧羊犬’�！标肆桎h認(rèn)為，這絕不是一時(shí)的運(yùn)氣，而是團(tuán)隊(duì)日復(fù)一日的堅(jiān)持和不斷創(chuàng)新的結(jié)果。
為了測(cè)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(jī)制，他和師弟常常去往北京中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和上海同步輻射光源通宵達(dá)旦做實(shí)驗(yàn)，“正是因?yàn)楫?dāng)時(shí)扎扎實(shí)實(shí)地做基礎(chǔ)研究，才能讓我們后面的研究走得更遠(yuǎn)、更穩(wěn)�！�
2019年，團(tuán)隊(duì)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?cè)诟邼穸葪l件下得到了穩(wěn)定的甲脒基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，并在國(guó)際學(xué)科權(quán)威期刊發(fā)布研究成果，增強(qiáng)了大家信心。
時(shí)隔一年，團(tuán)隊(duì)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(jī)鈣鈦礦太陽能電池，打破了學(xué)界對(duì)“全無機(jī)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(jìn)一步。
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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