Pb-Sn-Cu三元有机金属卤化物高效钙钛矿太阳能电池

tinengyue

有机金属卤化物钙钛矿是一类具有优异光电特性（如宽带吸收、长载流子扩散长度、低成本材料和可溶液处理）的光伏半导体材料。然而迄今为止，大多数高性能的钙钛矿太阳能电池均基于卤化铅钙钛矿材料设计，从对人类的健康风险和对生态系统的重大危险考虑，器件中所包含的铅元素可能会降低市场对钙钛矿太阳能电池的接受度，因此寻求无铅或低毒金属的卤化物钙钛矿、同时与铅基器件性能相似的材料是解决这一挑战的有效途径。

一些低毒的金属阳离子，如Sn（II）、Ge（II）、Mn（II）、Cu（II）、Co（II）、In（III）、Al（III）和Sb（III）已用来部分替代钙钛矿电池器件中的Pb，其中Sn（II）被证明是一种替代Pb的理想元素。目前，基于纯Sn的无铅钙钛矿太阳能电池的PCE已接近9%左右。50%摩尔比例铅取代的Pb-Sn二元金属钙钛矿器件的最大PCE也可以接近14%。

针对部分铅取代钙钛矿太阳电池晶体结构的优化，苏州大学的廖良生教授、王照奎副教授领导的团队在Advanced Materials 上发表论文，利用SnI2和CuBr2少量取代的PbI2制备了三元Pb-Sn-Cu钙钛矿太阳能电池，并详细研究了Sn2+和Cu2+取代对铅基钙钛矿薄膜的生长及其光电特性的影响。钙钛矿晶体中Sn2+的取代导致薄膜的吸收边发生红移，Cu2+的引入对改善钙钛矿结晶晶粒、晶体覆盖率以及晶体边界钝化等方面起到了重要的作用。研究表明，Pb-Sn-Cu钙钛矿表现出多个晶体取向，并具有较好的电荷传输性能。最终，三元Pb-Sn-Cu钙钛矿太阳能电池的Voc 为1.086 V，短路电流密度（Jsc）为23.97 mA•cm-2，填充因子（FF）为0.81，具有21.08%的最优能量转换效率。

图1.（a）CH3NH3Pb1-a-bSnaCubI3-2bBr2b钙钛矿的晶体结构；（b）Pb-Sn-Cu三元钙钛矿基太阳能电池的器件结构；（c）Pb-Sn-Cu电池器件横截面的SEM成像。

作者同时与中科院上海应用物理研究所的高兴宇研究员、杨迎国博士以及英国斯旺西大学的Sagar M. Jain博士合作，利用上海光源衍射线站GIXRD的进一步表征，发现Pb-Sn-Cu钙钛矿太阳能电池薄膜具有多重有序的结晶取向，更有利于Pb-Sn-Cu三元钙钛矿薄膜中的有效电荷转移。钙钛矿器件的热导纳谱显示，Pb-Sn-Cu钙钛矿薄膜具有较低的浅缺陷态，说明薄膜相应的缺陷较少，更有利于电荷的分离和传输。

图2. 基于（a）MAPbI3、（b）MAPb0.95Sn0.05I3、（c）MAPb0.95Cu0.05I2.9Br0.1和（d）MAPb0.9Sn0.05Cu0.05I2.9Br0.1钙钛矿薄膜的2D GIXRD成像；（e）钙钛矿薄膜的2D GIXRD成像对应的沿q = 10 nm-1 情况下2D GIXRD成像的方位积分散射强度图；（f）基于MAPbI3、MAPb0.95Sn0.05I3、MAPb0.95Cu0.05I2.9Br0.1和MAPb0.9Sn0.05Cu0.05I2.9Br0.1 钙钛矿器件的热导纳谱。

该论文作者为：Meng Li, Zhao-Kui Wang, Ming-Peng Zhuo, Yun Hu, Ke-Hao Hu, Qing-Qing Ye, Sagar M. Jain, Ying-Guo Yang, Xing-Yu Gao and Liang-Sheng Liao

Pb–Sn–Cu Ternary Organometallic Halide Perovskite Solar Cells

Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800258