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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《科學》發表了最新研究成果。研究團隊成功揭示了水相合成鈣鈦礦晶體前驅體的純化機制，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。 隨著全球對可再生能源的需求不斷增長，鈣鈦礦太陽能電池作為下一代太陽能技術的代表，備受矚目。盡管鈣鈦礦太陽能電池具有低成本制備、高能量轉換效率的潛力，但鈣鈦礦層中的缺陷一直是電池高效使用的主要挑戰，以往的研究主要通過添加劑或界面修飾來鈍化這些缺陷。另外，商業化碘化鉛試劑中的雜質可能催化鈣鈦礦溶液降解和生成有害副產物，進一步加劇了問題的復雜性。 此外，前驅體混合物中，碘甲脒和碘化鉛的非化學計量比例可能導致雜質碘單質的生成，并隨時間降低溶液的pH值，最終極大地影響電池性能，而高純度前驅體可以顯著減小雜質引起的內在缺陷。 如今，鈣鈦礦薄膜的前驅體材料已經逐漸由單體混合的技術路線開始轉向預先合成鈣鈦礦晶體原料的技術路線。但合成這些鈣鈦礦晶體的方法存在著有毒溶劑的使用、合成純度低和產率低等問題，極大地限制了鈣鈦礦晶體技術的應用。 基于此，研究團隊成功地開發了使用水作為溶劑合成鈣鈦礦前驅體的方法，并深入研究了水相合成鈣鈦礦晶體的純化機制。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。 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，實現了公斤級的規模化生產，成本比商業碘化鉛和甲脒碘化物低兩個數量級。 進一步研究發現，水溶劑能夠去除前驅體中的雜質，如鈣、鈉和鉀離子，是晶體純度提高的主要原因。雜質的減少不僅降低了缺陷密度，還延長了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。 通過使用這些經過純化的前驅體材料，研究團隊在反式結構的鈣鈦礦太陽能電池中取得了25.6%的光電轉換效率，并在連續模擬太陽輻照1000小時后仍然保持了94%的初始光電轉換效率。 該研究有望為未來高效太陽能電池的制備提供了重要的技術支持，為可再生能源領域的發展注入新的活力，為清潔能源的發展貢獻更多可能。 |
