近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授徐保民团队的硕士研究生朱培德以第一作者身份在国际顶级期刊《科学》（Science）上发表了题为“Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells”的论文。
据悉，这是南科大自主培养的硕士研究生首次在国际顶级学术杂志以第一作者身份发表论文，材料科学与工程系讲席教授徐保民为论文第一通讯作者，南科大是论文第一单位。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金联合基金重点项目、深圳市科创委基础研究重点项目等多个项目的资助。该项研究工作在高效钙钛矿太阳能电池领域取得了显著突破，成功揭示了水相合成钙钛矿晶体前驱体的纯化机制，为制备高效太阳能电池并大幅降低原料成本提供了重要支持。
尽管钙钛矿太阳能电池具有低成本制备和高能量转换效率（26.1%）的潜力，但其钙钛矿层中的缺陷一直是实现高效率的主要挑战。为了解决这些由钙钛矿前驱体引起的内在问题，钙钛矿薄膜的前驱体材料已经逐渐由单体混合的技术路线开始转向预先合成钙钛矿晶体原料的技术路线。基于此，该研究团队成功地开发了使用水作为溶剂合成钙钛矿前驱体的方法，并深入研究了水相合成钙钛矿晶体的纯化机制。该研究不仅为钙钛矿晶体合成建立了溶剂筛选标准，同时还建立了钙钛矿晶体原料评价方法。
图1 钙钛矿晶体合成的溶剂筛选
在这项研究中，该团队成功地通过水相合成获得了高纯度的甲脒碘化铅（FAPbI3）晶体，其纯度平均值可达99.994%。这一成果通过使用低成本、低纯度的原材料，实现了公斤级的规模化生产，成本比商业PbI2和甲胺碘化物低两个数量级。通过进一步的证明，水溶剂能够去除前驱体中的杂质，如钙、钠和钾离子，是晶体纯度提高的主要原因。杂质的减少不仅降低了缺陷密度，还延长了最终钙钛矿薄膜中的载流子扩散长度，为钙钛矿太阳能电池的卓越性能提供了有力支持。
图2 钙钛矿晶体纯化机制
通过使用这些经过纯化的前驱体材料，该团队在反式结构的钙钛矿太阳能电池中取得了25.6%（认证值25.3%）的光电转换效率（PCE），并在连续模拟太阳辐照1000小时后仍然保持了94%的初始PCE。这项研究的成功为未来高效太阳能电池的制备提供了重要的技术支持，为可再生能源领域的发展注入新的活力。期待这一成果的进一步推广和应用，为清洁能源的发展贡献更多可能。
图3 基于钙钛矿晶体前驱体优异光伏器件性能
2021级硕士研究生朱培德为该项工作的第一作者，他在徐保民教授指导下从事钙钛矿太阳能电池领域中钙钛矿晶体合成方面的研究工作。朱培德同学努力学习，刻苦钻研，曾获得优秀共产党员、优秀学生骨干、优秀共青团员、优秀研究生、工学院志愿之星、服务之星等多项荣誉。
朱培德（右）与导师徐保民教授（左）
来源：南方科技大学
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