以一种多功能的“离子液体”作为溶剂 ， 来替代传统的、有毒的有机溶剂制备钙钛矿光伏材料——3月26日 ， Science（《科学》）在线发表了西北工业大学黄维院士团队的研究成果Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity（中文译名：《 室温、高湿度稳定的钙钛矿太阳能电池 》） 。
据了解 ， 用这一独创性研究成果制备出的材料具有稳定性高、制备工艺简单等优势 ， 解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题 ， 实现了光伏领域的重大突破 。
南京工业大学硕士研究生惠炜、西北工业大学博士研究生晁凌锋和南京工业大学硕士研究生芦荟为这一研究论文的共同第一作者 。
在“羊群”中放入“牧羊犬” ， 解决制备痛点
“基础科研就是要做别人没有做过的东西 ， 要产生引领性成果 ， 让全世界跟着我们去做 。 ”黄维院士常对团队说：原始创新是“从0到1”的突破 ， 往往意味着漫长而艰难的探索 ， 但却可能产生颠覆性变革 ， 带来颠覆性的技术和产品 。 ”
通过离子液体制备钙钛矿光伏材料这一重大进展 ， 便是这样“从0到1”的突破 。
离子液体及其制备的钙钛矿太阳能电池 。 西北工业大学供图
目前 ， 以“光伏”为代表的可再生能源产业链正在全球驶入发展快车道 。 这其中 ， 钙钛矿光伏功不可没 。 相比传统太阳能电池板中使用的硅晶体 ， 钙钛矿光伏不仅更便宜、轻薄 ， 可变型 ， 成本也更低廉 ， 更环保 。 因此 ， 钙钛矿光伏材料研究已成为各国科学家追逐的“热点” 。
“未来 ， 沙漠腹地、楼宇外墙、手机等都不再需要传统电池 ， 只需要一块低廉、清洁 ， 薄如纸张的钙钛矿太阳能电池就能满足所需 。 它还可以同时应用在柔性可穿戴、航天器搭载等重要领域 。 ”对钙钛矿光伏材料的应用前景 ， 团队成员晁凌锋充满信心 。
团队研发的可折叠柔性电子产品 。 西北工业大学供图
然而 ， 在钙钛矿光伏材料研究中 ， 始终存在许多“痛点” 。 例如 ， 以甲脒基钙钛矿为代表的钙钛矿光伏材料非常“敏感” ， 在空气中极易发生相转变 ， 极大制约了其量产 。 通过原始创新 ， 黄维院士团队解决了其材料不稳定、光电转化率不高、工艺制备复杂且污染性较高等难题 。
多年探索中 ， 团队将研究焦点集中在钙钛矿光伏材料的制备工艺上 。 要解决制备工艺问题 ， 先要寻找到一种环境友好、物理化学性质稳定、可调和的溶剂 ， 离子液体溶剂便是这样一种“四两拨千斤”的存在 。
“从一开始 ， 我们就跳出了传统思路 。 ”南京工业大学陈永华教授介绍：引入离子液体溶剂后 ， 钙钛矿光伏材料的制备过程变得非常简单 ， 且整个过程可以在室温、空气中和高湿度的环境下进行 。 更令人惊喜的是 ， 制备出的钙钛矿材料稳定性和光电转化率都大大增加 ， 可谓是“一石三鸟” 。
【材料|在原始创新的“无人区”中“寻宝” 西工大黄维院士团队攻克世界性难题】经过离子液体制备的材料 ， 内部结构变得整齐有规律（右） ， 大大提高了材料稳定性和光电转化效率 。 西北工业大学供图
离子液体就像是草原上的“牧羊犬” ， 在“羊群”也就是钙钛矿的分子成分中起到发号施令、排兵布阵的作用 。 在稳定队形后 ， 它便无声退出了 。 “而这个新队形 ， 正是我们想得到的钙钛矿电池的稳定性 。 ”晁凌锋形象地比喻 。
这一成果 ， 实现了功能导向、择优设计、绿色无毒、稳定高效的离子液体钙钛矿光伏制备技术 。 为钙钛矿太阳能电池的大规模生产利用创造了前提条件 。
坚持原始创新 ， 在神秘的科学丛林中开辟新路
近年来 ， 尽管从事钙钛矿电池研究的国际团队越来越多 ， 黄维院士团队却始终处于国际引领位置 。 “坚持原始创新 ， 甘坐冷板凳”正是团队不断取得创新成果的要诀 。
科研人员在实验室制备钙钛矿光伏材料 。 西北工业大学供图
在全球相关领域研究者仍将主要精力放在第二代太阳能电池时 ， 黄维院士团队已开始了对第三代太阳能电池的研究 。 从发现离子液体可作为钙钛矿添加剂 ， 到揭开其神秘面纱 ， 再到构筑离子快速反应通道——世界范围内 ， 只有黄维院士团队持续多年深耕这一领域 。
“很难！就像在神秘的丛林中开路 。 ”晁凌锋说 。 针对这一世界性难题 ， 团队2015年就有了初步想法 ， 但具体怎么干 ， 没人知道 。 “从零开始 ， 不断试错 。 坚持不下去的时候 ， 也想过放弃 。 ”关键时刻 ， 老师的指引和团队的协作给了晁凌锋坚持下去的勇气 。
2017年 ， 团队另辟蹊径 ， 发现了一种绿色的质子型离子液体来代替传统的有机溶剂 ， 也就是找到了让“羊群”列队的“牧羊犬” 。 在晁凌锋看来 ， “这绝不是一时运气 ， 而是团队日复一日的坚持和不断创新的结果 。 ”
为了测试离子液体如何影响钙钛矿晶体结构转变的内部机制 ， 晁凌锋和大家常常去往北京、上海的相关实验室 ， 通宵达旦做实验 ， “正是扎实的基础研究 ， 才让后面的路走得更远、更稳 。 ”
团队在科学实验中 。 西北工业大学供图
时隔1年 ， 团队便构建出高效稳定的层状钙钛矿太阳能电池 ， 光电转化效率再创新高 。 不久 ， 又在湿度空气中制备出了全无机钙钛矿太阳能电池 ， 打破了学界对“全无机钙钛矿在空气中高湿度下不稳定”的传统观念 。 2021年 ， 这一成果更加成熟 ， 离大规模生产应用更进一步 。
原始创新之路从不平坦 。 是什么力量为团队注入了源源不断的动能？“要敢于在原始创新的“无人区”中‘寻宝’ 。 ”黄维院士告诉采访人员 ， 走入科研的“无人区” ， 考验着科研工作者的能力水平 ， 也体现着科学报国的初心与情怀 。
“我们所做的 ， 正是坚定不移走中国特色自主创新的道路 。 ”他说：一要超前谋划 ， 独辟蹊径 ， 开辟一个领域；二要牵住“牛鼻子” ， 对偶然现象多加思考 ， 攻克薄弱环节；三要“非对称”赶超 ， 在“卡脖子”的地方下大功夫 。
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