南科大团队造出新型绿色反溶剂，获得高质量高取向的钙钛矿薄膜

在业界，能造出新电池；在学界，可以发 Nature。这便是南方科技大学教授何祝兵。如今身处学界的他，哪怕自己培养的学生加入业界之后的工资比自己高，何祝兵也不改科研之乐。

前不久，他和团队采用钙钛矿纳米晶增强的烷烃作为新型绿色反溶剂，获得了高质量高取向的钙钛矿薄膜，对于钙钛矿的产业化发展具有重要意义。

图 | 何祝兵（来源：何祝兵）

日前，相关论文以《利用纳米晶体功能化绿烷烃作为高效抗溶剂制备高质量钙钛矿薄膜的可持续发展方法》（A Sustainable Approach Using Nanocrystals Functionalized Green Alkanes as Efficient Antisolvents to Fabricate High-Quality Perovskite Films）为题发在 Advanced Energy Materials 上[1]，Jingwei Xiu 是第一作者，何祝兵担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Energy Materials）

随着钙钛矿太阳能电池转换效率不断突破，以及产业化进程不断加快，人们发现钙钛矿薄膜制备所用到的有毒溶剂，是其产业化进程中亟需攻克的重要问题。在这种有毒溶剂之中，氯苯和甲苯反溶剂最受关注。

已有研究人员尝试使用绿色溶剂来做替代，比如使用乙醇或乙酸乙酯等。但是，制备出来的钙钛矿薄膜效果不佳。

此外，高极性乙醇和乙酸乙酯也容易导致钙钛矿组分中有机成分溶解与流失。因此，寻找合适的绿色溶剂来替代反溶剂可谓刻不容缓。

基于此，何祝兵团队发展了上述绿色新型反溶剂，该溶剂使用 CsPbI3 纳米晶掺入烷烃，借此造出高质量的钙钛矿，并能获得较高的器件效率和不错的长期稳定性。

有趣的是，作为钙钛矿生长的形核中心，这些纳米晶可以促进钙钛矿薄膜的取向生长。它们之间的晶格相互作用，还得到了冷冻电镜的证实，故能为钙钛矿的产业化构筑一个有前景的方向。

何祝兵表示，2022 年是钙钛矿光伏产业化投资元年，大量产业资本和投资资本涌入该领域。可持续的钙钛矿光伏电池制造技术事关生存大计。而绿色溶剂是钙钛矿产业化的必然选择。“我们相信本次工作对于产业技术的选择和发展具有极大的促进作用。”他表示。

事实上，钙钛矿光伏的研究方向众多。何祝兵来到南科大之前在业界从事过硅电池的研发。如今作为高校课题组的负责人，自然而然会考虑到自身优势和产业需求。

光伏本身就是一条绿色可持续产业，不可持续的技术一定没有太大的前景。

因此，溶剂毒性毫无疑问是值得重视的，尤其是甲苯氯苯反溶剂毒性更严重，所以更加值得予以关注。

研究中，通过阅读绿色反溶剂的文献，课题组发现钙钛矿薄膜的质量普遍低于甲苯氯苯，分析之后该团队得出了反溶剂的两项基本要求：第一是低极性，第二是对于 N,N-二甲基甲酰胺等溶剂分子的相互作用。

接下来，他们开始物色反溶剂种类，通过在烷烃反溶剂之中添加钙钛矿纳米晶，满足了上述两项基本要求，借此获得了高取向的钙钛矿薄膜。

尔后，通过开展掠射角 X 射线衍射仪、冷冻电镜等分析表征，他们对钙钛矿薄膜的生长机理进行总结，并结合器件性能表征梳理了构效关系的逻辑。

何祝兵表示：“每个钙钛矿光伏电池的研究背后是大量的配溶液、涂膜及制作电池，这需要学生脚踏实地地做每一步。”

研究期间，学生使用纯烷烃制备出来的薄膜不够致密，器件基本没效率，学生的信心遭到了严重打击。

“学生首先想到的是退却也就是换个课题。但是，面对挫折作为老师一定要坚信实验方案背后的科学逻辑，以及提升学生的信心。于是，我鼓励学生开展多种尝试，不要浅尝辄止。”何祝兵说。

他继续表示：“我经常跟学生讲‘科研不是玄学，任何现象背后一定有其科学规律，只是我们现在还没有挖掘出来’，同时要保持宽阔的视野，有时他山之石可以攻玉。”

最终面对上述问题，他和学生一起从原理出发，针对性地引入纳米晶，解决了薄膜不致密背后的形核问题。后来论文终于得以发表。而在本次论文上线不久之后，他和团队的另一篇 Nature 论文也已发表。

最近两年，何祝兵培养的学生都去了公司。“博士年薪都在 70 万以上，待遇都比我高。这主要得益于 2022 年开始的钙钛矿光伏投资热潮。毕业的时候他们都会请我和实验室的师弟师妹们聚餐，我通常会问同一个问题，来我实验室读博或做博后感觉值不值？他们都会回答‘非常值’，这也让我甚感欣慰！”何祝兵表示。

而对于光伏科研者来说，效率是永恒的话题。1964 年，科学家基于热力学原理提出，几乎所有光伏材料的器件转换效率都在 30% 附近。30% 的效率，也让光伏与热机效率处于同一个水平。

因此，在 30% 的转换效率条件之下，光伏具备全方位的竞争力。何祝兵认为，这也是所有光伏人希望看到的景象。

而在新的溶剂和反溶剂体系下，提高电池转换效率及其稳定性，是他接下来的研究重点。

何祝兵坦言：“我的课题组规模不大，我的精力也有限，所以每个学生的选题必须是我认为重要的命题。因此，将反式钙钛矿电池性能进一步提高，让工艺进一步接近产业化，是我和团队坚定不变的方向。”

参考资料：

1.Xiu, J., Han, B., Gao, H., Chen, X., Chen, Z., Gong, S., ... & He, Z. (2023). A Sustainable Approach Using Nanocrystals Functionalized Green Alkanes as Efficient Antisolvents to Fabricate High‐Quality Perovskite Films. Advanced Energy Materials, 2300566.