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

原创署名:潘奕辰

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%。

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

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100102