近日，南方科技大學材料科學與工程系講席教授徐保民團隊的碩士研究生朱培德以第一作者身份在國際頂級期刊《科學》（Science）上發表了題為“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”的論文。
據悉，這是南科大自主培養的碩士研究生首次在國際頂級學術雜誌以第一作者身份發表論文，材料科學與工程系講席教授徐保民為論文第一通訊作者，南科大是論文第一單位。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金聯合基金重點專案、深圳市科創委基礎研究重點專案等多個專案的資助。
該項研究工作在高效鈣鈦礦太陽能電池領域取得了顯著突破，成功揭示了水相合成鈣鈦礦晶體前驅體的純化機制，為製備高效太陽能電池並大幅降低原料成本提供了重要支援。
儘管鈣鈦礦太陽能電池具有低成本製備和高能量轉換效率（26.1%）的潛力，但其鈣鈦礦層中的缺陷一直是實現高效率的主要挑戰。為了解決這些由鈣鈦礦前驅體引起的內在問題，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。基於此，該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，並深入研究了水相合成鈣鈦礦晶體的純化機制。該研究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。
圖1 鈣鈦礦晶體合成的溶劑篩選
在這項研究中，該團隊成功地透過水相合成獲得了高純度的甲脒碘化鉛（FAPbI3）晶體，其純度平均值可達99.994%。這一成果透過使用低成本、低純度的原材料，實現了公斤級的規模化生產，成本比商業PbI2和甲胺碘化物低兩個數量級。透過進一步的證明，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，還延長了最終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效能提供了有力支援。
圖2 鈣鈦礦晶體純化機制
透過使用這些經過純化的前驅體材料，該團隊在反式結構的鈣鈦礦太陽能電池中取得了25.6%（認證值25.3%）的光電轉換效率（PCE），並在連續模擬太陽輻照1000小時後仍然保持了94%的初始PCE。這項研究的成功為未來高效太陽能電池的製備提供了重要的技術支援，為可再生能源領域的發展注入新的活力。期待這一成果的進一步推廣和應用，為清潔能源的發展貢獻更多可能。
圖3 基於鈣鈦礦晶體前驅體優異光伏器件效能
2021級碩士研究生朱培德為該項工作的第一作者，他在徐保民教授指導下從事鈣鈦礦太陽能電池領域中鈣鈦礦晶體合成方面的研究工作。朱培德同學努力學習，刻苦鑽研，曾獲得優秀共產黨員、優秀學生骨幹、優秀共青團員、優秀研究生、工學院志願之星、服務之星等多項榮譽。
朱培德（右）與導師徐保民教授（左）
來源：南方科技大學。
