南方科技大学徐保民团队最新Science

高纯度的前驱体材料是高效钙钛矿太阳能电池(PSCs)降低钙钛矿中杂质引起的缺陷密度的关键。

2024年2月1日，南方科技大学徐保民、Wang Xingzhu、Zhang Yong及韩国成均馆大学Nam-Gyu Park共同通讯在Science在线发表题为“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”的研究论文，该研究水性合成钙钛矿微晶作为PSCs的前体材料。

该方法可以实现公斤级批量生产，并合成纯度高达99.996%的甲脒碘化铅(FAPbI3)微晶体，平均纯度为99.994±0.0015%，原料价格低廉，纯度低。作为水溶液中最大的杂质，钙离子的减少导致载流子陷阱态的最大减少，并且故意引入钙离子会降低器件性能。利用这些纯化的前体，在倒置的PSCs中实现了25.6%(25.3%认证)的功率转换效率(PCE)，并且在50°C连续模拟太阳照射1000小时后保持了初始PCE的94%。

尽管钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有低成本制造和26.1%的高功率转换效率(PCE)的潜，但钙钛矿层中的缺陷一直是实现高功率转换效率的主要挑战，以前的研究主要集中在通过添加剂或界面修饰钝化这些缺陷。除了缺陷钝化外，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，并随着老化降低溶液的pH，最终降低PSC的性能。前驱体质量在解决这些挑战中起着至关重要的作用，高纯度前驱体材料在最大限度地减少杂质引起的内在缺陷方面显示出相当大的潜力。因此，寻找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净化；在这种情况下，再溶解预合成的钙钛矿微晶粉末作为后续钙钛矿薄膜制备的前驱体。这种方法可以实现高的晶体取向度、精确的化学计量比和低的阱态密度。值得注意的是，钙钛矿微晶体，如甲基碘化铅(MAPbI3)和甲脒碘化铅(FAPbI3)已被用作制备PSC的前体。这些钙钛矿晶体的主流合成方法依赖于机械化学或湿化学，使用有机溶剂，如乙腈(ACN)、1,4-丁内酯和2-甲氧基乙醇(2-ME)。然而，这些方法面临着与实现高纯度、最小化环境影响和优化产量相关的挑战。此外，对合成的钙钛矿微晶体纯度进行定量评估的研究明显缺乏。

FAPbI3钙钛矿微晶的水性合成（图源自Science）

用水作为溶剂合成钙钛矿，可以利用其极性、氢键能力、室温下低挥发性等优点，并且更环保。然而，目前在钙钛矿微晶的合成中，水作为溶剂的使用仍然相对受限。因此，有必要开发一种水溶剂，可以按比例合成高纯度晶体，并提高钙钛矿薄膜的质量。

该研究提出了一种水性合成钙钛矿微晶体(ASPM)的合成和表征，提高了钙钛矿前驱体的质量。在千克级合成FAPbI3时获得了92%的高收率，材料成本比商用PbI2和FAI低两个数量级。通过去除水溶液中杂质浓度最高的钙(Ca2+)和钠(Na+)、钾(K+)离子，FAPbI3微晶的纯度达到99.994±0.0015%的平均值。去除这些离子可以降低缺陷密度，延长载流子在钙钛矿膜内的扩散长度，从而提高聚苯乙烯复合材料的性能。因此，该研究不仅推进了PSC技术，而且为钙钛矿材料的新应用打开了大门。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7081