南科大Science：高PCE太阳能电池的水系合成！

1.【导读】

尽管钙钛矿太阳能电池（PSC）具有低成本制造和26.1%的高功率转换效率（PCE）的潜力，但钙钛矿层中的缺陷一直是实现高功率转换率的主要挑战。因此，找到去除前体杂质的方法，以及更好地了解杂质的影响，可以提高PSCs的性能。解决这些内在因素的一种方法是使用结晶进行纯化。在这种情况下，再溶解预先合成的钙钛矿微晶粉末作为后续钙钛矿膜制备的前体。这种方法可以实现高度的晶体取向、精确的化学计量比和低的陷阱态密度。然而，这些方法受到与实现高纯度、最大限度地减少环境影响和优化产量相关的挑战的困扰。此外，还明显缺乏定量评估合成钙钛矿微晶纯度的研究。使用水作为钙钛矿合成的溶剂可以利用其极性、氢键能力、室温下的低挥发性，并且更适合环境。然而，目前在钙钛矿微晶的合成中使用水作为溶剂仍然相对受限。因此，需要开发一种可以按比例合成高纯度晶体并提高钙钛矿膜质量的水性溶剂。

2.【成果掠影】

基于以上难题，南方滚球体育 大学徐保民教授、王行柱教授和Zhang Yong联合韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授，提出了水系合成钙钛矿微晶（ASPM）作为PSCs的前体材料。该方法实现了公斤级的大规模生产，并用廉价的低纯度原料合成了纯度高达99.996%、平均纯度为99.994±0.0015%的甲脒碘化铅（FAPbI₃）微晶。进一步研究表明，构成水溶液中最大杂质的Ca²⁺的减少导致载流子陷阱态的最大减少，而Ca²⁺的引入被证明会降低器件性能。使用这些纯化的前体，研究人员在倒置PSCs中实现了25.6%（25.3%认证）的PCE，并在50℃下连续模拟太阳照射1000小时后保留了94%的初始功率转换效率。相关研究成果以“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”为题发表知名期刊Science上。

3.【核心创新点】

• 提出了ASPM作为PSCs的前体材料，用廉价的低纯度原料合成了纯度高达996%的甲脒碘化铅（FAPbI₃）微晶，实现了公斤级的大规模生产。
• 在倒置PSCs中实现了6%（25.3%认证）的PCE，并在50℃下连续模拟太阳照射1000小时后保留了94%的初始PCE。

4.【数据概览】

图1. FAPbI₃钙钛矿微晶的水系合成© 2024 AAAS

图2.水系合成钙钛矿微晶的纯化© 2024 AAAS

图3.钙钛矿薄膜的成核结晶过程© 2024 AAAS

图4.载流子传输机制© 2024 AAAS

图5. PSCs的性能© 2024 AAAS

5.【成果启示】

综上，本研究成功地证明了用水溶液法可扩展地合成超纯钙钛矿微晶。研究强调了钙钛矿前体中杂质对体缺陷的不利影响，从而影响了PSCs的性能。而本研究结果揭示了PCE和稳定性的显著改善，突出了ASPM通过消除杂质，特别是Ca²⁺来解决这些问题的潜力。此外，本研究的水系合成方法被证明是通用的，能够生产各种卤化物和阳离子基铅钙钛矿微晶。这种多功能性扩展了光伏以外的潜在应用范围，为不同领域的创新提供了机会。因此，本研究不仅推进了PSC技术，而且为钙钛矿材料的新应用打开了大门。

原文详情：Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells.

本文由大兵哥供稿。