林雪平大学高峰，电子科大刘明侦Small Structures：锡(II)基钙钛矿太阳能电池的进展——从材料物理到器件性能

钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为一种新兴的光伏技术，因其低成本、高效率以及可溶液加工的特性而备受关注。近十年来，PSCs的光电转换效率从3.8%飙升至25.5%，呈现出惊人的发展速度和应用前景。 “钙钛矿电池”中的“钙钛矿”一词是指电池中的金属-卤化物吸光层具有钙钛矿晶体的结构。该结构可表示为ABX₃，其中A为有机/无机的一价阳离子，B为二价阳离子，X则为一价卤化物阴离子。现阶段，以Pb²⁺为二价阳离子的铅基钙钛矿表现出最为优异的半导体性能，包括高吸光系数、低激子结合能、浅缺陷能级、高载流子迁移率和长载流子扩散长度等，铅基PSC也因而表现出最高的效率和优异的稳定性。然而，铅元素对环境和人体具有较大的毒性，被列为RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive）限制的有害物质之一，并被欧盟等组织限制应用于电气设备中。因此，探索无铅钙钛矿材料、开发更环保的PSC，是PSC发展和走向商业化应用的重要方向。

近日，林雪平大学高峰，中国工程物理研究院张文华和电子科技大学刘明侦针对锡（II）基钙钛矿的研究进展发表了综述文章，介绍了其物理性质，讨论了提高钙钛矿性能及稳定性的策略，并展望了锡（II）基PSC的未来发展方向。 

钙钛矿材料的物理性质对PSC的性能起到至关重要的影响。在本综述中，作者首先从晶体结构、缺陷机理、能带结构、载流子浓度和类型、载流子动力学五个方面分类总结了锡基钙钛矿材料的主要物理性质。

目前，锡基PSC的最高光电转换效率为14.81%，明显低于铅基PSC。这主要是因为Sn²⁺极易被氧化为Sn⁴⁺，且在电荷复合、薄膜形貌、界面能垒等方面表现较差。因此，作者接下来详细讨论了提高锡基PSC性能和稳定性的策略。还原剂（如SnF₂、氢醌、肼类化合物等）的加入可抑制

Sn²⁺的氧化，从而降低Sn空位浓度并提高器件效率和环境稳定性。此外，对锡基钙钛矿薄膜的晶体生长动力学进行调节（主要是抑制成核并延缓结晶速率），可以获得较大尺寸及较少缺陷态的晶粒，从而获得更光滑的表面形貌及更好的器件效率。之后，作者还阐述了混合成分钙钛矿、维度调节、晶界钝化及传输材料优化对提高锡基PSC性能的作用机理。 

在文末作者指出，尽管近年来无铅锡基PSC已取得了很大进展，但最高14.81%的光电转换效率仍远远落后于铅基PSC，也限制了其商业化应用。而提高锡基PSC性能的主要挑战是抑制Sn²⁺的氧化、获得高质量的薄膜以及寻找合理的器件结构。一旦氧化问题得到充分理解和解决，并能全面发挥出锡基材料的独特潜力，锡基PSC的效率有望超过20%。

论文信息：

Advances in Tin(II)-Based Perovskite Solar Cells: From Material Physics to Device Performance

Man Li, Faming Li, Jue Gong, Tiankai Zhang, Feng Gao*, Wen-Hua Zhang*, Mingzhen Liu*

Small Structures 

DOI: 10.1002/sstr.202100102

点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。

Small

Structures

期刊简介

Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。

WILEY

相关阅读

Wiley China

Wiley China

Wiley China

MaterialsViews

Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台

关注公众号和视频号

推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀

分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息

点击“分享”，给我们一点鼓励吧~