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(shù)期刊Science發(fā)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(qū)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?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣鲩L，鈣鈦礦太陽能電池作為下一代太陽能技術(shù)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(zhuǎn)換效率的潛力，但其鈣鈦礦層中的缺陷一直是實現(xiàn)高效率的主要挑戰(zhàn)，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(yè)化碘化鉛（PbI2）試劑中的雜質(zhì)可能催化鈣鈦礦溶液降解和生成有害副產(chǎn)物,進一步加劇了問題的復雜性。此外，前驅(qū)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(zhì)碘（I2）雜質(zhì)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(qū)體可以顯著減小雜質(zhì)引起的內(nèi)在缺陷，因此，鈣鈦礦前驅(qū)體的純度顯得至關(guān)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(qū)體引起的內(nèi)在問題，鈣鈦礦薄膜的前驅(qū)體材料已經(jīng)逐漸由單體混合的技術(shù)路線開始轉(zhuǎn)向預先合成鈣鈦礦晶體原料的技術(shù)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(chǎn)率低等問題，極大地限制了鈣鈦礦晶體技術(shù)的應用。基于此，該團隊成功地開發(fā)了使用水作為溶劑合成鈣鈦礦前驅(qū)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(xiàn)了公斤級的規(guī)�；a(chǎn)，成本比商業(yè)PbI2和甲脒碘化物低兩個數(shù)量級。通過進一步的證明，水溶劑能夠去除前驅(qū)體中的雜質(zhì)，如鈣、鈉和鉀離子，是晶體純度提高的主要原因（圖2）。雜質(zhì)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(jīng)過純化的前驅(qū)體材料，該團隊在反式結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池中取得了25.6%（認證值25.3%）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），并在連續(xù)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(shù)支持，為可再生能源領域的發(fā)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(fā)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(fā)計劃、國家自然科學基金聯(lián)合基金重點項目、深圳市科創(chuàng)委基礎研究重點項目等多個項目的資助支持。
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