科学家开发高纯度钙钛矿前驱体，实现25.6%的光电转换效率

尽管钙钛矿太阳能电池具有低成本制造和高光电转换效率的潜力，但长期以来其中的钙钛矿层缺陷，一直是实现高光电转换效率的主要挑战。

以往的研究主要集中在通过添加剂或界面修饰来钝化这些缺陷。然而，除了缺陷钝化之外，商业碘化铅（PbI2）试剂中的杂质，还可以催化钙钛矿溶液降解并形成有害副产物。

此外，前驱体混合物中碘化甲脒（FAI）和 PbI2 的非化学计量比例会导致 I2 杂质的产生，并会随着老化降低溶液的 pH，最终降低钙钛矿太阳能电池的性能。

解决这些挑战的关键之一是通过使用结晶进行纯化。在这种方法中，再溶解预合成的钙钛矿微晶粉末，可以作为后续钙钛矿薄膜制备的前驱体。

这种方法实现了高的晶体取向度、精确的化学计量比和低的缺陷态密度。同时，甲基碘化铅（MAPbI3）和甲脒碘化铅（FAPbI3）等钙钛矿微晶体，已被用作制备钙钛矿太阳能电池的前驱体。

然而，钙钛矿微晶粉末传统的合成方法依赖于机械化学或湿化学，并使用 1,4-丁内酯（GBL）、2-甲氧基乙醇（2-ME）、以及南方科技大学团队前期开发的乙腈（ACN）溶剂等有机溶剂。

这些方法在实现高纯度、最小化环境影响和优化产率方面面临挑战。同时，对合成的钙钛矿微晶体纯度进行定量评估的研究也明显不足。

为了解决这些问题，南方科技大学团队提出了一种水相合成钙钛矿微晶体（ASPM）的方法，以提高钙钛矿前驱体的质量。

通过水作为溶剂，利用其极性、氢键能力和室温下低挥发性等优点，可以实现更环保的合成过程。该方法可以实现公斤级批量生产，并利用廉价、低纯度的原来材料合成纯度高达 99.996% 的甲脒碘化铅（FAPbI3）微晶，平均纯度为 99.994±0.0015%。

通过水溶液减少原料中钙离子的含量，可以最大限度地减少载流子陷阱态，而故意引入钙离子会降低器件性能。

借助这些纯化的前驱体，在反式的钙钛矿太阳能电池中实现了 25.6%（经认证为 25.3%）的光电转换效率，并且在 50℃ 连续模拟太阳照射 1000 小时后保持了初始效率的 94%。

总的来说，本研究不仅在技术上推进了钙钛矿太阳能电池的发展，更为钙钛矿材料的新应用开辟了新的可能性。

通过解决钙钛矿太阳能电池制备过程中前驱体的关键问题，为推动钙钛矿太阳能电池商业化奠定了重要基础。

针对相关论文，其中一位审稿人评价称：“本论文介绍了一种从水相氢碘酸溶液中制备多样化金属卤化物钙钛矿晶体的新方法。

利用这些高纯度晶体制备的钙钛矿前驱体溶液，与传统方法相比，可制备出性能更好的钙钛矿太阳能电池。”

另一位审稿人称：“这项工作提出了一种合成方法，用于生长钙钛矿前驱体，以用于太阳能电池的制造。令人印象深刻的是，这种方法产生的太阳能电池转换效率高达 25% 以上。”

同时，本次成果与钙钛矿太阳能电池商业化息息相关。研究人员表示，相信通过使用这种低成本、可公斤级量产的水相合成的钙钛矿晶体作为前驱体，可以进一步提升钙钛矿太阳能电池效率，从而推动钙钛矿太阳能电池的商业化。

此外，这种高纯度的钙钛矿微晶也可以作为其他钙钛矿相关应用的前驱体，比如实现发光二极管、光电探测器、X 射线衍射等应用，从而能够减少薄膜缺陷，提升相关性能等。

而且，这种水相合成方法可以实现多种钙钛矿晶体的合成。目前，论文只列出了 APbX3（其中 A 为 Cs、FA、MA，X 为 I、Br、Cl）相关的九种钙钛矿晶体。其实这种合成方法也可以拓展至高质量锡（Sn）基钙钛矿甚至一维钙钛矿、二维钙钛矿的合成。

日前，相关论文以《基于水相合成钙钛矿前驱体的高效率钙钛矿太阳能电池》（Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells）为题发在 Science[1]。

图 | 相关论文（来源：Science）

南科大硕士生朱培德、博士生王登、研究助理教授章勇是共同一作，南科大徐保民教授、章勇助理教授、王行柱教授、以及韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science）

章勇表示：“这个研究是在我博士期间的研究工作基础上进行的，前期的研究成果已发表至 ChemSusChem 和 ACS Energy Letters[2]。”

2017 年 3 月，章勇进入韩国成均馆大学攻读博士学位。他说：“第一次组会聚餐是吃韩国烤肉，Park（Nam-Gyu Park）教授就拿起桌上的一碗粗盐蘸料跟我说：‘你今后博士期间的一个主要的方向就是从低成本原料合成像这样大小的高纯钙钛矿晶体，然后再用这些晶体作前驱体制备高效率钙钛矿太阳能电池。’”

从那以后，章勇的主要研究就是围绕高纯度钙钛矿晶体展开，在博士毕业时就有了现在这篇论文的萌芽想法。

2020 年回国之后，章勇加入南方科技大学徐保民教授团队，指导硕士研究生朱培德开展这个课题，实现脑海中的这个想法。

正是由于南方科技大学，这里有更好设备条件和设施，这里可以对合成的晶体有更深入的材料表征以及有这么好的器件性能结果。

此外，钙钛矿晶体合成也是南方科技大学徐保民教授牵头的科技部重点研发计划项目的研究内容，这也是国内第一个钙钛矿产业化的国家级大项目，章勇作为项目骨干参与进来。

另据悉，2023 年该团队与中科院合肥物质研究院潘旭老师合作发表了一篇 Nature 论文，并由章勇担任共同一作[3]。在这篇论文之中，研究人员探讨了钙钛矿薄膜面外均质化的问题。

另外，本次成果将联合深圳普太科技有限公司（以下简称“普太科技”）将该技术产业化。

据介绍，普太科技由深圳市孔雀计划团队负责人徐保民教授及其核⼼成员王行柱教授等联合创⽴，是⼀家从事新型钙钛矿材料及其薄膜太阳能电池研发、⽣产、销售的企业。目前，该公司已经可以为客户提供小批量的钙钛矿晶体原料。

参考资料：

1.Science 2024, 383, 524-531.

2.ChemSuschem 2018, 11, 1813-1823; ACS Energy Lett. 2020, 5, 360-3663.

3.Nature 2023, 624, 557-563.

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