Solar RRL:窄带隙钙钛矿——Sn-Pb二元钙钛矿材料的结晶、特性和挑战

近年来,溶液法和低温度制备的钙钛矿材料已经收获了非常广泛的关注和深入的研究,使得基于它的太阳能电池在短期内获得超过22%的能量转化效率,媲美目前最新的无机半导体光伏器件,例如c-Si的21.3%效率,CdTe的22.1%效率和CIGS的22.3%效率。现在主流的钙钛矿材料是基于Pb的结构,它的禁带宽度一般小于1.55eV,这限制了钙钛矿材料对近红外光的吸收和利用。将钙钛矿材料的吸收拓展到近红外区域将有利于:(1)制备理想禁带宽度的钙钛矿材料,使得基于它的单节太阳能电池的效率达到33.5%的Shockley-Queisser 效率极限值;(2)制备叠层太阳能电池中底层的窄带隙钙钛矿器件;和(3)实现近红外的光探测,其可潜在应用于生物识别和医学荧光成像。

为了充分利用近红外光,一些吸收近红外能量的材料已经被引入基于Pb钙钛矿材料,但是弱的近红外吸收或低效率的光电子抽取限制了它们在近红外区域的器件效率。尽管纯Sn钙钛矿能够实现近红外的吸收,但是它极易氧化的特性限制了其在太阳能电池和探测器中的使用。有趣的是,Sn-Pb二元钙钛矿材料,一方面可以增加材料的稳定性,另一方面可以实现钙钛矿禁带宽度从1.55eV到1.17eV的调节。这些特性使得Sn-Pb二元钙钛矿材料可以应用在理想带隙半导体的太阳能电池,叠层太阳能电池的底部器件,以及近红外光探测等方面。

香港大学电子电机工程系蔡植豪教授和团队成员朱璐博士总结了最近发展的窄带隙Sn-Pb二元钙钛矿材料(带隙小于1.55eV)的多种结晶方法,包括一步溶液法,两步溶液法和真空蒸镀法。同时,他们讨论了各种结晶方法对于Sn-Pb二元钙钛矿薄膜形貌,结晶性,结晶方向以及光电特性的影响。然后,基于Sn-Pb二元钙钛矿材料,太阳能电池(包括单节器件,2-terminal和4-terminal叠层器件)和探测器的发展情况被深入讨论。此外,作者讨论了存在的挑战,包括调节晶粒间Sn/Pb元素分布和材料稳定性。最后,他们总结了整篇文章的讨论,并且给出了进一步提高Sn-Pb二元钙钛矿太阳能电池和探测器性能的潜在方法。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201800146)上。

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