锡基钙钛矿太阳能电池

一、背景

铅基钙钛矿型太阳能电池（PSC）在太阳能—电转换方面取得了很大进展，其功率转换效率（PCE）超过了25%。由于重金属铅的存在，对环境和人类带来的毒性问题，淡化了这些高性能PSC。虽然太阳能电池板内的Pb含量仅在毫克范围内，但在大规模生产、运输、安装和运行PSC技术时，仍存在铅暴露（泄漏）的潜在危险，需要极其小心。

解决铅基钙钛矿污染的根本办法是用其他无毒金属元素如锡、铋或锗取代铅。在这些潜在的候选器件中，由于Sn具有较高的导电性、载流子迁移率和较长的电荷扩散长度，故Sn基钙钛矿器件表现出比其他同类器件更好的性能。然而在环境空气条件下Sn2+很容易氧化为Sn4+，导致制备的Sn基PSC性能远低于铅基PSC性能。研究发现有部分官能团可以与Sn2+发生相互配位作用，故可以抑制Sn2+的氧化，进一步可以提高制备的Sn基PSC性能。

本文主要介绍了近两年提高Sn基钙钛矿太阳能电池性能的方法。

二、文献分析

研究进展1 引入氨基硫脲

图1. CsSnI3钙钛矿表面和内部形成的缺陷及其相应的钝化策略示意图

2021年1月Bo Li等人报道了一种简单而有效的硫酰胺钝化策略，用于调节CsSnI3钙钛矿表面和晶界的缺陷态密度。具有S=C-N官能团的氨基硫脲（TSC）可以与电荷缺陷形成强烈的配位相互作用，从而降低Sn2+氧化引起的陷阱态缺陷密度，制备的PSC的PCE可达8.20%。

原文DOI: 10.1002/adfm.202007447

研究进展2 引入N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）

图2. MBAA和CsSnI3之间的化学相互作用

2021年3月叶涛及其课题组通过将N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）（MBAA）掺入钙钛矿层以降低缺陷密度，制备了环境空气中能稳定存在的CsSnI3 PSC。MBAA中的-NH和-CO与CsSnI3中的Sn2+形成配位键，从而降低了钙钛矿中的缺陷密度。制备的PSC在环境空气条件下的PCE为7.50%。

原文DOI: 10.1021/jacs.0c13069

研究进展3 引入邻苯二甲酰亚胺

图3. PTM和CsSnI3之间的相互配位作用

随后，叶涛课题组在6月份又引入了邻苯二甲酰亚胺（PTM）来降低缺陷密度。PTM中的-NH和两个-CO与Sn2+形成配位键，提高了CsSnI3中Sn2+周围的电子密度，阻止了Sn2+氧化为Sn4+。制备的PSC的PCE提高到了10.1%。

原文DOI:10.1021/acsenergylett.1c00342

研究进展4 引入SnF2

图4. Cs4SnBr6-SnBr2的表征及光稳定性测试

2022年5月Qinggang Zhang等人使用SnF2合成了高效稳定的无铅Cs4SnBr6钙钛矿。SnF2提供的富氟环境，可以抑制合成过程中Sn2+的氧化，Sn-F配位阻止了电子从Sn2+转移到氧。SnF2衍生的Cs4SnBr6钙钛矿显示出62.8%的高光致发光量子产率，具有优异的稳定性。

原文DOI：10.1002/anie.202205463

研究进展5 Ge2+合金化

图5. 基于FASnI3和基于FASn0.9Ge0.1I3的PSC的光伏性能对比

2022年6月Min Chen等人通过将FASnI3金属卤化物钙钛矿（MHP）薄膜与Ge2+进行合金化，以防止MHP中的Sn2+氧化，形成的GeO2氧化物层不仅钝化了关键界面，还增强了界面机械结合。制备的PSC的PCE提高到了10.43%。

原文DOI：10.1021/acsenergylett.2c01130