离子液体开启钙钛矿光伏发电
- 2022-03-15 22:04:09
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金属卤化物钙钛矿发展面临着制备钙钛矿薄膜所使用的高沸点、非质子极性溶剂的毒性问题,如DMF、DMSO等,是工业化大生产必须要克服和解决的问题。研究团队发现碘化铅的溶解过程是通过极性非质子溶剂中的羰基或硫氧基与Pb2+的配位作用,而其中的碘离子与溶剂间没有较强的化学作用。那么,如何能将碘离子也很好的稳定,同时又兼顾高效无污染的制备工艺?
研究团队发现一种质子型离子液体醋酸甲胺(MAAc),其具有环境友好、粘度高且可调、物理化学性质稳定等特点,那么这种液态的离子液体能否用来做溶剂?毫无疑问,如果能使用这种环境友好的MAAc替代传统溶剂,这将会对钙钛矿的商业化进程做出巨大的贡献。带着这样的疑问,研究团队开始进行MAAc作溶剂的这一工艺进行探索。功夫不负有心人,经过两年的积累与付出,终于不负众望,于2019年成功在空气中制备了较为稳定的钙钛矿薄膜,率先突破20%效率大关并表现出极好的稳定性。尽管取得了巨大突破,然而,与当时最高效率相比,器件性能仍有待于进一步提升。
研究团队从多功能离子液体溶剂的结构设计和制备出发,发现离子液体甲酸甲胺(MAFa)中的甲酸根可以和铅进行强相互作用,并且胺基可以和游离的碘离子形成氢键。更为欣喜的是,研究团队发现在碘化铅成膜过程中,由于甲酸根和铅之间的螯合作用,牵引着碘化铅晶体规则排列,形成了一系列具有纳米级“离子通道”且取向生长的碘化铅晶体结构,这些离子通道加速了有机阳离子进入碘化铅薄膜内部并与碘化铅反应生成稳定的黑相FAPbI3钙钛矿薄膜。同时,最后残留在结晶处的甲酸根离子可以原位锚定缺陷,进一步提高了薄膜的湿度稳定性。实验结果表明,离子液体MAFa作钙钛矿前驱体溶剂所制备的器件最终实现了高达24.1%的效率,并且在未封装的条件下在85 °C持续加热和持续光照下500小时,分别保持其初始效率的80%和90%。这一发现为提升钙钛矿稳定性提出了新的方法。
基于MAFa离子液体的FAPbI3钙钛矿电池的J-V曲线(A)以及放置(B)、85℃加热和最大功率点的跟踪测试稳定性(D),所有稳定性测试的器件都是未进行任何封装。
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