高純度的前驅體材料是高效鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)降低鈣鈦礦中雜質引起的缺陷密度的關鍵。
2024年2月1日，南方科技大學徐保民、Wang Xingzhu、Zhang Yong及韓國成均館大學Nam-Gyu Park共同通訊在Science線上發表題為“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”的研究論文，該研究水性合成鈣鈦礦微晶作為PSCs的前體材料。
該方法可以實現公斤級批次生產，併合成純度高達99.996%的甲脒碘化鉛(FAPbI3)微晶體，平均純度為99.994±0.0015%，原料價格低廉，純度低。作為水溶液中最大的雜質，鈣離子的減少導致載流子陷阱態的最大減少，並且故意引入鈣離子會降低器件效能。利用這些純化的前體，在倒置的PSCs中實現了25.6%(25.3%認證)的功率轉換效率(PCE)，並且在50°C連續模擬太陽照射1000小時後保持了初始PCE的94%。
儘管鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)具有低成本製造和26.1%的高功率轉換效率(PCE)的潛，但鈣鈦礦層中的缺陷一直是實現高功率轉換效率的主要挑戰，以前的研究主要集中在透過新增劑或介面修飾鈍化這些缺陷。除了缺陷鈍化外，商業碘化鉛(PbI2)試劑中的雜質還可以催化鈣鈦礦溶液降解並形成有害副產物。此外，前驅體混合物中碘化甲脒(FAI)和PbI2的非化學計量比例會導致I2雜質的產生，並隨著老化降低溶液的pH，最終降低PSC的效能。前驅體質量在解決這些挑戰中起著至關重要的作用，高純度前驅體材料在最大限度地減少雜質引起的內在缺陷方面顯示出相當大的潛力。因此，尋找去除前體雜質的方法，以及更好地瞭解雜質的影響，可以提高PSCs的效能。
解決這些內在因素的一種方法是使用結晶進行淨化；在這種情況下，再溶解預合成的鈣鈦礦微晶粉末作為後續鈣鈦礦薄膜製備的前驅體。這種方法可以實現高的晶體取向度、精確的化學計量比和低的阱態密度。值得注意的是，鈣鈦礦微晶體，如甲基碘化鉛(MAPbI3)和甲脒碘化鉛(FAPbI3)已被用作製備PSC的前體。這些鈣鈦礦晶體的主流合成方法依賴於機械化學或溼化學，使用有機溶劑，如乙腈(ACN)、1,4-丁內酯和2-甲氧基乙醇(2-ME)。然而，這些方法面臨著與實現高純度、最小化環境影響和最佳化產量相關的挑戰。此外，對合成的鈣鈦礦微晶體純度進行定量評估的研究明顯缺乏。
FAPbI3鈣鈦礦微晶的水性合成（圖源自Science）
用水作為溶劑合成鈣鈦礦，可以利用其極性、氫鍵能力、室溫下低揮發性等優點，並且更環保。然而，目前在鈣鈦礦微晶的合成中，水作為溶劑的使用仍然相對受限。因此，有必要開發一種水溶劑，可以按比例合成高純度晶體，並提高鈣鈦礦薄膜的質量。
該研究提出了一種水性合成鈣鈦礦微晶體(ASPM)的合成和表徵，提高了鈣鈦礦前驅體的質量。在千克級合成FAPbI3時獲得了92%的高收率，材料成本比商用PbI2和FAI低兩個數量級。透過去除水溶液中雜質濃度最高的鈣(Ca2+)和鈉(Na+)、鉀(K+)離子，FAPbI3微晶的純度達到99.994±0.0015%的平均值。去除這些離子可以降低缺陷密度，延長載流子在鈣鈦礦膜內的擴散長度，從而提高聚苯乙烯複合材料的效能。因此，該研究不僅推進了PSC技術，而且為鈣鈦礦材料的新應用打開了大門。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7081
