上科大宁志军课题组Trends in Chemistry：锡基钙钛矿的机遇与挑战

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金属卤化物钙钛矿由于其优异的光电性质，制备成本低而被认为是下一代最有希望的太阳能电池材料之一。随着铅钙钛矿的快速发展，寻找新的钙钛矿材料也引起了广泛的研究兴趣。新的钙钛矿材料有望扩展钙钛矿的性能，同时克服铅钙钛矿带来的可能的环境问题，进一步提升材料性能和拓展材料应用范围。其中，锡基钙钛矿凭借优异的光电性能，吸引了国内外诸多课题组在这一领域展开研究。

上海科技大学宁志军教授课题组整理了锡基钙钛矿在太阳能电池、发光二极管、自限域发光、手性、探测器等方向的最新进展，结合锡基钙钛矿载流子迁移率、带隙、软晶格等性质分析了其在不同应用方向的优势及存在的问题，并从材料、器件、表征三个层面提出未来在锡钙钛矿方向的发展机遇及挑战。相关工作以“Chances and challenges for tin perovskites”为题，以Forum形式发表于《Trends in Chemistry》，宁志军教授课题组魏旗为第一作者。

 在太阳能电池领域，锡基钙钛矿太阳能电池近几年得到快速发展，目前最高认证效率已经达到14.6%，开路电压超过0.9 V，同时，锡钙钛矿的工作时间已经超过1000小时。在发光二极管领域，二维锡钙钛矿的外量子效率已经达到5%，值得注意的是，二维锡钙钛矿的发光峰在630nm附近，与国际电信联盟超高清电视标准的纯红光（630 nm）波长非常匹配，避免了混合卤素造成的卤素离子迁移的相分离问题。由于晶格较软，晶格畸变更容易发生，锡钙钛矿还具有较强的自限域发光效应，基于低维结构的锡钙钛矿已经实现了宽光谱LED和高发光效率的荧光粉。同时，利用自限域激子对温度敏感的特性，锡钙钛矿还被用于高精度温度测量及热成像，其测量范围达到-100~110摄氏度。较大的晶格畸变使得锡钙钛矿在手性材料领域也具有一定优势，实验发现二维手性锡钙钛矿的自旋极化电流测试中的最高极化率达到了94%，是已报道的手性诱导自旋选择效应材料中的最高值。环境友好的特点也让锡钙钛矿探测器有望用在柔性可穿戴电子学器件中，目前基于FASnI₃的锡钙钛矿效应率达到10⁵ A W^-1，且具有宽带响应特性。

基于目前的研究现状，作者们从材料、器件、表征三个层面对锡钙钛矿的发展进行分析。材料层面，需要继续解决缺陷和氧化的问题，同时取向生长及结晶度值得深入研究；器件层面，能级匹配、界面工程、载流子平衡都需要继续改善，还可以进行新功能器件的设计，例如手性与自限域效应、光电探测器的结合；表征层面，在材料的精细结构、载流子动力学、结晶动力学及缺陷能级等方面都亟需深入研究。作者总结了目前各种锡钙钛矿光电器件面临的挑战，对锡钙钛矿太阳能电池来说，进一步提高锡钙钛矿的效率需要解决缺陷导致的载流子扩散长度短、短路电流低等问题。对于锡钙钛矿发光二极管研究来说，目前需要解决其发光量子产率较低的问题。

图1. 锡基钙钛矿的特点及其在不同领域的应用。

图2. 锡钙钛矿在材料、器件、表征三个层面的发展机遇及挑战。

 总结

锡钙钛矿在光电器件领域展示出巨大的潜力，是环境友好的宽光谱薄膜太阳能的有利候选材料，基于锡钙钛矿的光电二极管和探测器也表现出引人注目的性能，目前还需继续解决缺陷密度较大的问题；较软的晶格特性使得锡钙钛矿在手性、自限域发光以及热成像等领域都具有应用前景，但是具有手性性质的锡钙钛矿还非常有限；此外还需要更多的原位表征及理论模拟等来推动对锡钙钛矿的理解。

作者简介

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课题组长宁志军于2009年在华东理工大学应用化学系获得博士学位，后在瑞典皇家工学院理论化学系和加拿大多伦多大学电子工程系从事博士后研究，2014年底加入上海科技大学担任助理教授、研究员，2020年获得终身教职。2020年入选国家高层次人才计划，上海市优秀学术带头人，连续入选科睿唯安高被引科学家，目前担任Cell Report Physical Science顾问编委、ACS Materials Letters的Early Career Advisory Board Member、Science Bulletin和Science China Chemistry青年编委。课题组的研究领域为基于溶液法组装的光电转化材料与器件，主要集中在太阳能电池和光电探测器两个方面。针对溶液法组装光电材料与器件中的电子输运问题，从材料设计与合成、纳米结构制备、器件物理机制等角度来展开研究，协同新材料的开发以及器件结构构筑来开发高效稳定光电器件。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.trechm.2021.11.001

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