无铅钙钛矿材料与光伏器件

【作者】 曲波；

【机构】 北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室；

【摘要】 近年来,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池吸引了国内外课题组的广泛关注,其效率也不断攀升,最新的认证效率已经超过26%,可以跟传统硅基太阳能电池媲美。但是这类电池目前存在的问题主要是光伏材料本身含铅所带来的环境问题,严重制约其大规模商业化应用。传统铅基钙钛矿材料的分子式为APbX₃。如果用一个一价金属离子和一个三价金属离子来代替两个铅离子,即可形成分子式为A₂M⁺M³⁺X₆的双钙钛矿。针对铅基钙钛矿所面临的毒性问题,曲波课题组于2017年首次制备出了基于无铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆的高质量薄膜及其太阳能电池（图1A,Adv.Sci.2018,5,1700759）,并继而利用该无铅双钙钛矿材料制备了可见光平均透过率高达73%的半透明太阳能电池（图1B,Sol.RRL 2020,4,2000056）。然而,无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6相对较大的带隙（～2.0 eV）阻碍了其在更长波段的可见光及近红外区域的光电应用。我们通过深能级痕量掺杂（～1%）铁元素（图1C,Adv.Funct.Mater.2021,32,2109891）和钌元素（图1D,Mater.Adv.2022,3,4932）取代Cs₂AgBiBr₆中的部分Bi元素,将其吸收范围拓宽至近红外光区域（1200-1350 nm）,由此制备的单晶材料具有优异的近红外光探测性能。鉴于在无铅双钙钛矿能带调控方面的工作积累,我们受邀撰写了综述文章（图1E,J.Phys.Chem.Lett.2023,14,5310）。目前,无铅钙钛矿的光伏性能仍然达不到理论预期。我们通过总结不同无铅钙钛矿存在的问题（Mater.Today Energy 2018,8,157;Adv.Energy Mater.2019,1902496）,发现这些限制主要源于无铅钙钛矿的低结构维度或低电子维度特性所导致的低载流子传输和自陷效应,以及由此加剧的非辐射复合。针对无铅钙钛矿光伏发展的瓶颈问题,我们认为可以通过调控结构维度或者电子维度来突破无铅钙钛矿光伏应用的瓶颈（图2）,并提出了具体解决方案。近期,相关研究结果受邀以"通过维度调控突破非铅钙钛矿太阳能电池的瓶颈"（Breaking the bottleneck of lead-free perovskite solar cells through dimensionality modulation）为题并作为封面文章发表于《英国皇家化学学会评论》（Chemical Society Reviews,2024,53,1769-1788）。更多还原