钙钛矿中的缺陷或杂相如PbI2等对电池的效率和稳定性具有不利的影响。其中高纯前驱体溶液在消除杂相和缺陷方面具有至关重要的作用，因而寻找制备高纯前驱体溶液的方法对于提升钙钛矿电池性能具有重要意义。

解决该问题的一种方法是通过结晶纯化得到的晶体用以制备前驱体，然而这种方法目前难以大批量制备，且制备的晶体的纯度缺乏定量化表征数据。水是一种理想的溶剂溶剂，然而水相合成用于大规模制备钙钛矿的技术仍然需要进一步优化。

作者首先比较了δ-FAPbI3在水和其他常用溶剂中的溶解度，并且用Gutmann给体数量（DN）、介电常数（ε）等对溶剂的性质进行了量化。其中DN值大的溶剂如DMF和DMSO对δ-FAPbI3具有好的溶解性，DN<20 kcal/mol、ε>18的溶剂如H2O可以溶解FAPbI3中的FAI但是不能溶解PbI2。但是FAPbI3在H2O中的溶解度可以通过在H2O中添加HI实现，在一定HI浓度的水溶液中，FAPbI3几乎不溶解，这表明可以在HI的水溶液中制备FAPbI3微晶。

利用PbAc2·3H2O（99.5%纯度）和FAAc（99%纯度）作为原料在HI水溶液中制备了FAPbI3微晶。需要注意的是，通过电感耦合等离子体发射光谱仪对前驱体中可能的杂质元素进行了分析，其中Cs、Na、K等无机元素均被发现。

实验表明，前驱体的pH值对副产物的形成具有重要的作用，在pH=7时，溶液中没有沉淀。2.2<pH<7时，PbAc2和HI反应生成PbI2沉淀，当1.9<pH<2.2时，PbI2进一步和I-反应生成PbI(2+x)，当pH<1.9时，FA+插入PbI(2+x)结构中形成FAPbI3且没有PbI2相，因此利用pH<1.9、PbAc2、FAAc、HI的溶液含有溶液可以制备高纯的FAPbI3微晶。SEM和XRD表征显示FAPbI3微晶呈1D棒状，长度约50 μm，且表现为δ相，产率约为92%，适用于大规模制备，且这种方法对其他3D钙钛矿的制备同样适用。与此同时，无机元素的杂质含量也大大降低，FAPbI3的纯度约为99.996%，相较于有机溶液中制备的产物的纯度（99.831%）得到了大幅提升。

钙钛矿微晶的水相合成

利用FAI、PbI2、CsI、 MAI作为前驱体的溶液作为对照组，FAPbI3、MAPbI3、CsPbI3 微晶作为实验组，对比了不同制备方法制备的FA0.85MA0.1Cs0.05PbI3薄膜的不同。其中实验组溶液表现出了明显的丁达尔效应，胶体粒子大小约为293 nm，相较于对照组的134 nm得到了提升。GIWAX原位表征也显示，对照组的最终产物由DMSO和前驱体的中间相转变而成且最终的结晶产物中含有PbI2的峰，实验组则没有PbI2且表现出了更明显的（100）峰，这表明其具有更好的结晶质量。实验组也表现出了更好的薄膜形貌。

DFT显示无机元素Ca、Na、K等会导致体系的不稳定并通过引入缺陷态影响载流子的传输性能。PL、TRPL也显示实验组样品因为杂质元素含量低而具有更好的载流子传输性能，在2-PACz和C60分别作为空穴和电子传输层时，电子和空穴的传输距离分别可达2449 nm和2390 nm，对照组则分别为799 nm和981 nm。

电池性能：ITO/2-PACz/FA0.85MA0.1Cs0.05PbI3/C60/BCP/Cu结构电池的最优效率为25.6%，稳态输出效率25.5%，认证效率25.3%（认证机构：中国科学院上海微系统与信息技术研究所）。1.73 eV电池FA0.8Cs0.2Pb(I0.7Br0.3)3的效率为20.0%。

电池稳定性：未封装电池在50±5 ℃、N2氛围、MPP下工作1000 h后可维持其初始效率的94 %。封装电池双85条件（ISOS-D-3）下400 h，效率变为初始值的89%（初始效率25.3%）。

电池性能

原文及图片链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7081#

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