4、大幅度提升钙钛矿太阳能组件的稳定性

1）由于钙钛矿太阳能电池具有出色的光电性能，而被认为是光伏技术中的“未来之星”。但是，随着人们将这项技术从实验室扩展到工业化规模生产，逐渐浮现出一系列挑战，主要集中在制备大面积高质量的钙钛矿薄膜以及确保薄膜稳定性两个方面。
2）近年来，钙钛矿光伏领域研究发展迅速，特别是在小面积器件的性能提升上取得了显著成果。然而，相比之下，组件的效率和稳定性提升比较滞后。
3）甲脒基钙钛矿（如 FAPbI3）具备更佳的光学带隙，但它光活性“黑相（α 相）”的形成能较高不利于直接获得结晶度良好且稳定的 α-FAPbI3。通过引入氯化甲铵（methylammonium chloride，MACl）等掺杂剂，可部分调节其形成能但并未能全部解决这些问题。另一方面，钙钛矿研究涉及包括材料、化学、物理和半导体器件设计等多学科，要全面地了解性能提升背后的复杂机制，需要对整个钙钛矿体系具有更加清晰的认识。

               图丨模型溶液和目标钙钛矿前体溶液中酸性质子化学交换的研究（来源：Nature）
4）在深入研究钙钛矿前驱体溶液和薄膜形成过程之后，该课题组揭示了影响前驱体溶液稳定性和限制效率提升的根本原因。随后，他们投入了长达四年的努力专注于研究，旨在解决钙钛矿光伏技术中的关键瓶颈问题。丁斌与丁勇表示：“在研究中，我们首次注意到了一些之前被忽视的现象，如钙钛矿溶液的不稳定性、形核结晶过程中出现的黄色相钙钛矿，以及薄膜晶粒大小的广泛分布。”

（1）通过深入的表征和分析，他们发现氯化甲铵的分解，其分解产物与碘化甲脒进行缩合反应以及氯化甲铵的过度聚集，是引起这些问题的主要原因。为了解决上述问题，采用具有强相互作用的添加剂变得尤为关键。研究人员通过文献调研和大量筛选添加剂后，决定采用离子液体作为钙钛矿溶液的稳定剂。
（2）在探索和对比 30 多种离子液体后，他们向钙钛矿前驱体溶液中添加一种新型的路易斯碱性离子液体添加剂 1,3-双（氰甲基）咪唑氯化物（[Bcmim]Cl），并将它与氯化甲铵掺杂剂协同使用。这种掺杂剂-添加剂协同增效的策略实现了 1+1 大于 2 的效果，不仅能够有效地抑制缩合反应，还促进了氯化甲铵的均匀分布，显著提高了前驱体溶液的稳定性，成功消除了黄色钙钛矿相，从而制备出了取向生长、结晶优良的高质量钙钛矿薄膜。

              图丨在 60°C 下，经过 24 小时，钙钛矿前驱体溶液降解的氢核磁共振图谱（来源：Nature）
（3）“单纯的钙钛矿前驱体原溶液稳定性只能保持一两天左右，而我们在加入新型离子液体后能够保持至少 10 天的稳定性。”丁斌表示。

5）更重要的是，该课题组还深入探索了协同效应的内在机理。一方面，通过引入新型离子液体，能够与氯化甲铵进行质子交换，有效抑制氯化甲铵的分解，从而稳定钙钛矿前驱体溶液。另一方面，这种离子液体含有特殊的双氰基阳离子和强电负性阴离子，提供了多个能够进行氢键作用的位点。这种强烈的相互作用促进了氯化甲铵的均匀分布，进一步增强了制备过程中钙钛矿薄膜的质量和稳定性。

                 图丨离子液体与与氯化甲胺相互作用的氢核磁共振图谱（来源：Nature）
6）丁斌是学材料出身，由于该研究横跨多个学科，因此很多知识他都需要从头学起。例如，液态核磁在化学领域是常用的技术之一，但对他来说却像一本“天书”。在研究中，他发现由于液态核磁共振对化学环境的微小变化非常敏感，仅仅依靠简单的核磁共振实验并不足以深入探索和解决问题。他观察到，添加剂的含量、溶液的组成及体积都会轻易影响核磁共振谱图中氢原子的化学位移。此外，其他氯化物也引起了极其相似的氢原子化学位移变化，这使得研究过程变得异常困难。“在经历了 100 多次核磁实验的尝试后，我深入了解了核磁共振的工作原理，最后终于设计出一个比较严谨的实验来揭露协同效应背后的秘密。”丁斌说。