交大科研人員在環(huán)境友好的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近年來(lái)，鉛基鹵素鈣鈦礦材料由于其優(yōu)異的光電特性成為太陽(yáng)能電池的明星材料，從而受到了廣泛的關(guān)注和研究。然而，重金屬鉛會(huì)對(duì)于環(huán)境和人體造成不可忽視的危害?；诖?，科研人員致力于研究環(huán)境友好的錫基鈣鈦礦材料，并獲得了較大的進(jìn)展。相較于鉛基鈣鈦礦，錫基鈣鈦礦材料結(jié)晶速度快、形成活化能低，使得相應(yīng)薄膜結(jié)晶質(zhì)量低、形貌差、缺陷密度高。此外，Sn2+容易氧化為Sn4+，會(huì)在鈣鈦礦薄膜中導(dǎo)致Sn空位和p型摻雜，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的非輻射復(fù)合，大大降低器件能量轉(zhuǎn)換效率。這些缺陷導(dǎo)致的相關(guān)穩(wěn)定性問(wèn)題也成為錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展的另一個(gè)瓶頸。近年來(lái)，配體修飾策略在錫基鈣鈦礦材料中顯示出巨大的潛力：大體積胺類(lèi)配體被證明有利于控制鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶生長(zhǎng)，且由于胺基配體結(jié)構(gòu)的疏水和疏氧性，器件的穩(wěn)定性得以提高。

針對(duì)以上鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件中存在的問(wèn)題，吳朝新教授組研究了三種同分異構(gòu)氟代配體，即4-氟-苯乙基碘化銨（4-F-PEAI）、3-氟-苯乙基碘化銨（3-F-PEAI）和2-氟-苯乙基碘化銨（2-F-PEAI），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶控制和Sn2+的氧化抑制。利用配體的氫鍵效應(yīng)，制備了致密均勻的Sn基鈣鈦礦薄膜。此外，觀察到表面晶格的穩(wěn)健性與配體的幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，這進(jìn)一步在不同程度上影響了Sn空位的形成。2-F-PEA采用彎曲幾何結(jié)構(gòu)，在表面由單一方向?qū)R，對(duì)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性超過(guò)其他異構(gòu)體（3-F-PEA和4-F-PEA）。不同的晶格應(yīng)力影響了Sn空位形成的復(fù)雜性。結(jié)果，2-F-PEAI修飾的Sn基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率為10.17 %（認(rèn)證效率8.58 %）。在1600小時(shí)光老化試驗(yàn)下，效率衰減小于15%。

該研究工作提出的含氟有機(jī)配體的方法為高效穩(wěn)定的Sn基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究開(kāi)辟了一條新的途徑。

近日，該項(xiàng)研究工作以“Ligand Orientation Induced Lattice Robustness for high-efficient and stable Tin-Based Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表于國(guó)際期刊ACS Energy Letters (2020) （影響因子 16.331，論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960）。第一作者為課題組博士生李培舟，董化副教授、李璟睿特聘研究員和吳朝新教授為共同通訊作者，西安交通大學(xué)為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到自然科學(xué)基金委項(xiàng)目等的支持。

西安交通大學(xué)吳朝新教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機(jī)制及其器件應(yīng)用如太陽(yáng)能電池與發(fā)光二極管，近期有多項(xiàng)重要成果發(fā)表于Joule，Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等國(guó)際頂級(jí)期刊。