盡管鈣钛礦太陽能電池具有低成本制造和高光電轉換效率的潛力，但長期以來其中的鈣钛礦層缺陷，一直是實作高光電轉換效率的主要挑戰。
以往的研究主要集中在通過添加劑或界面修飾來鈍化這些缺陷。然而，除了缺陷鈍化之外，商業碘化鉛（PbI2）試劑中的雜質，還可以催化鈣钛礦溶液降解并形成有害副産物。
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緻 I2 雜質的産生，并會随着老化降低溶液的 pH，最終降低鈣钛礦太陽能電池的性能。
解決這些挑戰的關鍵之一是通過使用結晶進行純化。在這種方法中，再溶解預合成的鈣钛礦微晶粉末，可以作為後續鈣钛礦薄膜制備的前驅體。
這種方法實作了高的晶體取向度、精确的化學計量比和低的缺陷态密度。同時，甲基碘化鉛（MAPbI3）和甲脒碘化鉛（FAPbI3）等鈣钛礦微晶體，已被用作制備鈣钛礦太陽能電池的前驅體。
然而，鈣钛礦微晶粉末傳統的合成方法依賴于機械化學或濕化學，并使用 1,4-丁内酯（GBL）、2-甲氧基乙醇（2-ME）、以及南方科技大學團隊前期開發的乙腈（ACN）溶劑等有機溶劑。
這些方法在實作高純度、最小化環境影響和優化産率方面面臨挑戰。同時，對合成的鈣钛礦微晶體純度進行定量評估的研究也明顯不足。
為了解決這些問題，南方科技大學團隊提出了一種水相合成鈣钛礦微晶體（ASPM）的方法，以提高鈣钛礦前驅體的品質。
通過水作為溶劑，利用其極性、氫鍵能力和室溫下低揮發性等優點，可以實作更環保的合成過程。該方法可以實作公斤級批量生産，并利用廉價、低純度的原來材料合成純度高達 99.996% 的甲脒碘化鉛（FAPbI3）微晶，平均純度為 99.994±0.0015%。
通過水溶液減少原料中鈣離子的含量，可以最大限度地減少載流子陷阱态，而故意引入鈣離子會降低器件性能。
借助這些純化的前驅體，在反式的鈣钛礦太陽能電池中實作了 25.6%（經認證為 25.3%）的光電轉換效率，并且在 50℃ 連續模拟太陽照射 1000 小時後保持了初始效率的 94%。
總的來說，本研究不僅在技術上推進了鈣钛礦太陽能電池的發展，更為鈣钛礦材料的新應用開辟了新的可能性。
通過解決鈣钛礦太陽能電池制備過程中前驅體的關鍵問題，為推動鈣钛礦太陽能電池商業化奠定了重要基礎。
針對相關論文，其中一位審稿人評價稱：“本論文介紹了一種從水相氫碘酸溶液中制備多樣化金屬鹵化物鈣钛礦晶體的新方法。
利用這些高純度晶體制備的鈣钛礦前驅體溶液，與傳統方法相比，可制備出性能更好的鈣钛礦太陽能電池。”
另一位審稿人稱：“這項工作提出了一種合成方法，用于生長鈣钛礦前驅體，以用于太陽能電池的制造。令人印象深刻的是，這種方法産生的太陽能電池轉換效率高達 25% 以上。”
同時，本次成果與鈣钛礦太陽能電池商業化息息相關。研究人員表示，相信通過使用這種低成本、可公斤級量産的水相合成的鈣钛礦晶體作為前驅體，可以進一步提升鈣钛礦太陽能電池效率，進而推動鈣钛礦太陽能電池的商業化。
此外，這種高純度的鈣钛礦微晶也可以作為其他鈣钛礦相關應用的前驅體，比如實作發光二極管、光電探測器、X 射線衍射等應用，進而能夠減少薄膜缺陷，提升相關性能等。
而且，這種水相合成方法可以實作多種鈣钛礦晶體的合成。目前，論文隻列出了 APbX3（其中 A 為 Cs、FA、MA，X 為 I、Br、Cl）相關的九種鈣钛礦晶體。其實這種合成方法也可以拓展至高品質錫（Sn）基鈣钛礦甚至一維鈣钛礦、二維鈣钛礦的合成。
日前，相關論文以《基于水相合成鈣钛礦前驅體的高效率鈣钛礦太陽能電池》（Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells）為題發在 Science[1]。
圖 | 相關論文（來源：Science）
南科大碩士生朱培德、博士生王登、研究助理教授章勇是共同一作，南科大徐保民教授、章勇助理教授、王行柱教授、以及南韓成均館大學 Nam-Gyu Park 教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science）
章勇表示：“這個研究是在我博士期間的研究工作基礎上進行的，前期的研究成果已發表至 ChemSusChem 和 ACS Energy Letters[2]。”
2017 年 3 月，章勇進入南韓成均館大學攻讀博士學位。他說：“第一次組會聚餐是吃南韓烤肉，Park（Nam-Gyu Park）教授就拿起桌上的一碗粗鹽蘸料跟我說：‘你今後博士期間的一個主要的方向就是從低成本原料合成像這樣大小的高純鈣钛礦晶體，然後再用這些晶體作前驅體制備高效率鈣钛礦太陽能電池。’”
從那以後，章勇的主要研究就是圍繞高純度鈣钛礦晶體展開，在博士畢業時就有了現在這篇論文的萌芽想法。
2020 年回國之後，章勇加入南方科技大學徐保民教授團隊，指導碩士研究所學生朱培德開展這個課題，實作腦海中的這個想法。
正是由于南方科技大學，這裡有更好裝置條件和設施，這裡可以對合成的晶體有更深入的材料表征以及有這麼好的器件性能結果。
此外，鈣钛礦晶體合成也是南方科技大學徐保民教授牽頭的科技部重點研發計劃項目的研究内容，這也是國内第一個鈣钛礦産業化的國家級大項目，章勇作為項目骨幹參與進來。
另據悉，2023 年該團隊與中科院合肥物質研究院潘旭老師合作發表了一篇 Nature 論文，并由章勇擔任共同一作[3]。在這篇論文之中，研究人員探讨了鈣钛礦薄膜面外均質化的問題。
另外，本次成果将聯合深圳普太科技有限公司（以下簡稱“普太科技”）将該技術産業化。
據介紹，普太科技由深圳市孔雀計劃團隊負責人徐保民教授及其核⼼成員王行柱教授等聯合創⽴，是⼀家從事新型鈣钛礦材料及其薄膜太陽能電池研發、⽣産、銷售的企業。目前，該公司已經可以為客戶提供小批量的鈣钛礦晶體原料。
參考資料：
1.Science 2024, 383, 524-531.
2.ChemSuschem 2018, 11, 1813-1823; ACS Energy Lett. 2020, 5, 360-3663.
3.Nature 2023, 624, 557-563.
營運/排版：何晨龍