2月2日，由南方科技大學材料科學與工程系講席教授徐保民、研究助理教授章勇、前沿與交叉科學研究院研究教授王行柱團隊在國際知名學術期刊Science發表了題為“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”的最新研究成果。該研究在高效鈣鈦礦太陽能電池領域取得了顯著突破，成功揭示了水相合成鈣鈦礦晶體前驅體的純化機制，為制備高效太陽能電池并大幅降低原料成本提供了重要支持。
隨著全球對可再生能源的需求不斷增長，鈣鈦礦太陽能電池作為下一代太陽能技術的代表，備受矚目。盡管鈣鈦礦太陽能電池具有低成本制備和高能量轉換效率的潛力，但其鈣鈦礦層中的缺陷一直是實現高效率的主要挑戰，以往的研究主要集中在通過添加劑或界面修飾來鈍化這些缺陷。同時，商業化碘化鉛（PbI2）試劑中的雜質可能催化鈣鈦礦溶液降解和生成有害副產物,進一步加劇了問題的復雜性。此外，前驅體混合物中碘甲脒（FAI）和PbI2的非化學計量比例可能導致單質碘（I2）雜質的生成，并隨時間降低溶液的pH，最終極大地影響電池性能。高純度前驅體可以顯著減小雜質引起的內在缺陷，因此，鈣鈦礦前驅體的純度顯得至關重要。
圖1. 鈣鈦礦晶體合成的溶劑篩選
為了解決這些由鈣鈦礦前驅體引起的內在問題，鈣鈦礦薄膜的前驅體材料已經逐漸由單體混合的技術路線開始轉向預先合成鈣鈦礦晶體原料的技術路線。然而，目前合成這些鈣鈦礦晶體的方法存在著有毒溶劑的使用、合成純度低和產率低等問題，極大地限制了鈣鈦礦晶體技術的應用。基于此，該團隊成功地開發了使用水作為溶劑合成鈣鈦礦前驅體的方法，并深入研究了水相合成鈣鈦礦晶體的純化機制。該研究不僅為鈣鈦礦晶體合成建立了溶劑篩選標準，同時還建立了鈣鈦礦晶體原料評價方法（圖1）。
在這項研究中，該團隊成功地通過水相合成獲得了高純度的甲脒碘化鉛（FAPbI3）晶體，其純度平均值可達99.994%。這一成果通過使用低成本、低純度的原材料，實現了公斤級的規模化生產，成本比商業PbI2和甲脒碘化物低兩個數量級。通過進一步的證明，水溶劑能夠去除前驅體中的雜質，如鈣、鈉和鉀離子，是晶體純度提高的主要原因（圖2）。雜質的減少不僅降低了缺陷密度，還延長了最終鈣鈦礦薄膜中的載流子擴散長度，為鈣鈦礦太陽能電池的卓越性能提供了有力支持。
圖2. 鈣鈦礦晶體純化機制
通過使用這些經過純化的前驅體材料，該團隊在反式結構的鈣鈦礦太陽能電池中取得了25.6%（認證值25.3%）的光電轉換效率（PCE），并在連續模擬太陽輻照1000小時后仍然保持了94%的初始PCE。這項研究的成功為未來高效太陽能電池的制備提供了重要的技術支持，為可再生能源領域的發展注入新的活力。這一成果的進一步推廣和應用，將為清潔能源的發展貢獻更多可能。
南科大材料科學與工程系碩士生朱培德、博士生王登和研究助理教授章勇為共同第一作者，南方科技大學徐保民、章勇、王行柱和成均館大學Nam-Gyu Park為通訊作者，南科大為論文第一作者和通訊單位。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金聯合基金重點項目、深圳市科創委基礎研究重點項目等多個項目的資助支持。
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