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隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為下一代太陽(yáng)能技術(shù)的代表，備受矚目。盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有低成本制備和高能量轉(zhuǎn)換效率的潛力，但其鈣鈦礦層中的缺陷一直是實(shí)現(xiàn)高效率的主要挑戰(zhàn)，以往的研究主要集中在通過(guò)添加劑或界面修飾來(lái)鈍化這些缺陷。同時(shí)，商業(yè)化碘化鉛（PbI2）試劑中的雜質(zhì)可能催化鈣鈦礦溶液降解和生成有害副產(chǎn)物,進(jìn)一步加劇了問(wèn)題的復(fù)雜性。此外，前驅(qū)體混合物中碘甲脒（FAI）和PbI2的非化學(xué)計(jì)量比例可能導(dǎo)致單質(zhì)碘（I2）雜質(zhì)的生成，并隨時(shí)間降低溶液的pH，最終極大地影響電池性能。高純度前驅(qū)體可以顯著減小雜質(zhì)引起的內(nèi)在缺陷，因此，鈣鈦礦前驅(qū)體的純度顯得至關(guān)重要。

圖1. 鈣鈦礦晶體合成的溶劑篩選

為了解決這些由鈣鈦礦前驅(qū)體引起的內(nèi)在問(wèn)題，鈣鈦礦薄膜的前驅(qū)體材料已經(jīng)逐漸由單體混合的技術(shù)路線開(kāi)始轉(zhuǎn)向預(yù)先合成鈣鈦礦晶體原料的技術(shù)路線。然而，目前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(chǎn)率低等問(wèn)題，極大地限制了鈣鈦礦晶體技術(shù)的應(yīng)用。基于此，該團(tuán)隊(duì)成功地開(kāi)發(fā)了使用水作為溶劑合成鈣鈦礦前驅(qū)體的方法，并深入研究了水相合成鈣鈦礦晶體的純化機(jī)制。該研究不僅為鈣鈦礦晶體合成建立了溶劑篩選標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還建立了鈣鈦礦晶體原料評(píng)價(jià)方法（圖1）。

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)成功地通過(guò)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(dá)99.994%。這一成果通過(guò)使用低成本、低純度的原材料，實(shí)現(xiàn)了公斤級(jí)的規(guī)模化生產(chǎn)，成本比商業(yè)PbI2和甲脒碘化物低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)進(jìn)一步的證明，水溶劑能夠去除前驅(qū)體中的雜質(zhì)，如鈣、鈉和鉀離子，是晶體純度提高的主要原因（圖2）。雜質(zhì)的減少不僅降低了缺陷密度，還延長(zhǎng)了最終鈣鈦礦薄膜中的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的卓越性能提供了有力支持。

圖2. 鈣鈦礦晶體純化機(jī)制

通過(guò)使用這些經(jīng)過(guò)純化的前驅(qū)體材料，該團(tuán)隊(duì)在反式結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中取得了25.6%（認(rèn)證值25.3%）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），并在連續(xù)模擬太陽(yáng)輻照1000小時(shí)后仍然保持了94%的初始PCE。這項(xiàng)研究的成功為未來(lái)高效太陽(yáng)能電池的制備提供了重要的技術(shù)支持，為可再生能源領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。這一成果的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，將為清潔能源的發(fā)展貢獻(xiàn)更多可能。

南科大材料科學(xué)與工程系碩士生朱培德、博士生王登和研究助理教授章勇為共同第一作者，南方科技大學(xué)徐保民、章勇、王行柱和成均館大學(xué)Nam-Gyu Park為通訊作者，南科大為論文第一作者和通訊單位。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目的資助支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7081