近日🪬🔢，意昂4体育平台趙一新教授團隊在Nature Sustainability發表了題為“Green solvent enabled scalable processing of perovskite solar cells with high efficiency”的研究論文🩺。在該工作中，通過開發新型綠色溶劑，解決了鈣鈦礦墨水存儲穩定性難題，並實現了高性能大面積鈣鈦礦光伏組件的綠色環保製備。意昂4体育平台助理研究員繆炎峰和博士生任孟為該研究工作的共同第一作者，趙一新教授與王天富長聘副教授為共同通訊作者🤹‍♂️。

    鈣鈦礦太陽能電池的優勢之一是可以通過溶液法來低成本、低能耗地製備高性能器件🤰🏼。目前常用的溶劑是N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞碸（DMF:DMSO），為了提高薄膜的光電性能，還會使用氯苯作為反溶劑來調控鈣鈦礦的結晶過程。然而🚈💂🏻‍♀️，DMF:DMSO和氯苯都是有毒溶劑👳🏼，因此面臨著人體毒性和環境汙染的問題🌲。同時，基於DMF:DMSO的鈣鈦礦墨水還存在著存儲穩定性差（小於2天）和成膜過程操作窗口窄（幾秒鐘）的難題🩱，進一步限製了鈣鈦礦光伏的大規模生產🐗。此外，由於DMF:DMSO與碘化鉛的強相互作用🤦🏻‍♂️，使得甲脒鉛碘鈣鈦礦（FAPbI3）薄膜製備過程中會先形成黃相非鈣鈦礦（δ-FAPbI3），然後再經過退火轉變為具有光電性能的黑相鈣鈦礦（α-FAPbI3）。這就導致α-FAPbI3薄膜中存在少量的δ-FAPbI3殘留，從而影響了太陽能電池的長期穩定性。

圖1 DMF:DMSO溶劑面臨的問題及GVL溶劑的優勢

    為解決上述問題，趙一新團隊報道了一種基於綠色溶劑製備大面積鈣鈦礦薄膜及組件的方法。團隊發現，使用可以由生物質合成的綠色γ-戊內酯（GVL）作為溶劑能大幅度提升鈣鈦礦墨水的存儲穩定性（超過一年）。溶液化學研究表明，GVL和FA+陽離子具有更強的氫鍵作用，因此能夠顯著提高FA+陽離子的穩定性，並擴展了薄膜製備的操作窗口，從而能夠通過反溶劑浴對大面積鈣鈦礦薄膜的結晶過程進行有效調控🧑‍🚒。基於該工藝的FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的效率達到了25.09%🔴。這種方法還幫助實現了5cm × 5cm和10cm × 10cm光伏組件的可控製備👳，並獲得了國際領先的22.06%和20.46%的活性面積效率。值得註意的是，此項工作中所用的溶劑GVL和反溶劑乙酸丁酯都是可作為食品添加劑的無毒溶劑，並且GVL可通過生物質合成獲得，因此該綠色溶液體系解決了鈣鈦礦太陽能電池製造過程的安全環保難題👨🏽‍🌾。

圖2 基於GVL的鈣鈦礦墨水製備的光伏組件及性能

    此項工作深入研究了鈣鈦礦墨水的溶液化學特性🧪，揭示了FAPbI3的GVL溶液體系中[PbIx]2-x以及FA+和GVL間的強相互作用，解決了鈣鈦礦墨水面臨的毒性大🦝、穩定性差🧏🏼、操作窗口窄的難題🧑🏼‍🔧🤵🏿，為進一步研究和開發基於新型綠色溶劑的鈣鈦礦器件/組件提供了重要思路。該研究得到國家自然科學基金、上海市優秀青年學術帶頭人🪗、上海市自然科學基金等項目的資助🤟🏼👩🏼‍🚀。

    論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41893-023-01196-4