南科大Science：高PCE太陽能電池的水系合成！

1.【導讀】

盡管鈣鈦礦太陽能電池（PSC）具有低成本制造和26.1%的高功率轉換效率（PCE）的潛力，但鈣鈦礦層中的缺陷一直是實現高功率轉換率的主要挑戰。因此，找到去除前體雜質的方法，以及更好地了解雜質的影響，可以提高PSCs的性能。解決這些內在因素的一種方法是使用結晶進行純化。在這種情況下，再溶解預先合成的鈣鈦礦微晶粉末作為后續鈣鈦礦膜制備的前體。這種方法可以實現高度的晶體取向、精確的化學計量比和低的陷阱態密度。然而，這些方法受到與實現高純度、最大限度地減少環境影響和優化產量相關的挑戰的困擾。此外，還明顯缺乏定量評估合成鈣鈦礦微晶純度的研究。使用水作為鈣鈦礦合成的溶劑可以利用其極性、氫鍵能力、室溫下的低揮發性，并且更適合環境。然而，目前在鈣鈦礦微晶的合成中使用水作為溶劑仍然相對受限。因此，需要開發一種可以按比例合成高純度晶體并提高鈣鈦礦膜質量的水性溶劑。

2.【成果掠影】

基于以上難題，南方科技大學徐保民教授、王行柱教授和Zhang Yong聯合韓國成均館大學Nam-Gyu Park教授，提出了水系合成鈣鈦礦微晶（ASPM）作為PSCs的前體材料。該方法實現了公斤級的大規模生產，并用廉價的低純度原料合成了純度高達99.996%、平均純度為99.994±0.0015%的甲脒碘化鉛（FAPbI₃）微晶。進一步研究表明，構成水溶液中最大雜質的Ca²⁺的減少導致載流子陷阱態的最大減少，而Ca²⁺的引入被證明會降低器件性能。使用這些純化的前體，研究人員在倒置PSCs中實現了25.6%（25.3%認證）的PCE，并在50℃下連續模擬太陽照射1000小時后保留了94%的初始功率轉換效率。相關研究成果以“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”為題發表知名期刊Science上。

3.【核心創新點】

• 提出了ASPM作為PSCs的前體材料，用廉價的低純度原料合成了純度高達996%的甲脒碘化鉛（FAPbI₃）微晶，實現了公斤級的大規模生產。
• 在倒置PSCs中實現了6%（25.3%認證）的PCE，并在50℃下連續模擬太陽照射1000小時后保留了94%的初始PCE。

4.【數據概覽】

圖1. FAPbI₃鈣鈦礦微晶的水系合成 ? 2024 AAAS

圖2. 水系合成鈣鈦礦微晶的純化 ? 2024 AAAS

圖3. 鈣鈦礦薄膜的成核結晶過程 ? 2024 AAAS

圖4. 載流子傳輸機制 ? 2024 AAAS

圖5. PSCs的性能 ? 2024 AAAS

5.【成果啟示】

綜上，本研究成功地證明了用水溶液法可擴展地合成超純鈣鈦礦微晶。研究強調了鈣鈦礦前體中雜質對體缺陷的不利影響，從而影響了PSCs的性能。而本研究結果揭示了PCE和穩定性的顯著改善，突出了ASPM通過消除雜質，特別是Ca²⁺來解決這些問題的潛力。此外，本研究的水系合成方法被證明是通用的，能夠生產各種鹵化物和陽離子基鉛鈣鈦礦微晶。這種多功能性擴展了光伏以外的潛在應用范圍，為不同領域的創新提供了機會。因此，本研究不僅推進了PSC技術，而且為鈣鈦礦材料的新應用打開了大門。

原文詳情：Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells.

本文由大兵哥供稿。