上科大米启兮ACS Energy Letters快报：非铅钙钛矿电池认证效率新纪录15.7%

第一作者：施跃东

通讯作者：米启兮*

单位：上海科技大学

卤化锡钙钛矿材料具有晶体结构稳定、半导体性质优良、环境友好的特点，尤其适用于建筑一体化、可穿戴设备和医疗健康等方面的光电转换应用。随着卤化铅钙钛矿太阳能电池日趋成熟，如何将铅元素替换为低毒的锡元素并保持优异的材料性能受到了科研人员的日益重视。不过，卤化锡钙钛矿具有自身的材料特性，需要专门配套开发的配方与工艺，本领域的研究正处于探索阶段。近三年来，卤化锡钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率处在14–15%左右的平台期，开路电压与短路电流这两项重要性能指标相互制约，总体性能还有很大的提升空间。在有效调控成膜结晶的前期研究基础（dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00776）之上，本工作通过在钙钛矿薄膜和电子传输层之间引入界面偶极分子，显著提升了太阳能电池的开路电压并保持短路电流基本不变。经过第三方专业认证实现了15.7%的光电转化效率，刷新了非铅钙钛矿光伏器件的效率记录，也是卤化锡钙钛矿太阳能电池发展历程上的一项重要进步。

在目前的钙钛矿太阳能电池研究领域中，如何将铅元素替换为低毒的锡元素并保持优异的材料性能是科研人员一直试图攻克的难题。近期，上海科技大学米启兮课题组在本领域取得重要进展，开发出了一种能显著增加锡基钙钛矿太阳能电池开路电压、从而提升其光电转换效率的方法。相关研究成果“Interfacial Dipoles Boost Open-Circuit Voltage of Tin Halide Perovskite Solar Cells”以“能源特快转递”的形式在线发表于国际知名学术期刊《ACS Energy Letters》。

少量（1.5 mol%）4-氟苯乙胺氢溴酸盐（FPEABr）在成膜结晶后富集于钙钛矿薄膜表面，构建了从铵根指向F原子的偶极。紫外光电子能谱（UPS）测量表明，实验组钙钛矿薄膜的价带顶（VBM）能级相对于对照组上移了0.10 eV。另外，光谱响应测试确认FPEABr几乎不改变钙钛矿薄膜的带隙能。根据以上两项推测，引入FPEABr使钙钛矿薄膜的导带底（CBM）位置从−3.75 eV上移至−3.65 eV，与电子传输层ICBA的能级之间更加匹配，这也正是开路电压明显提升的主要原因。

卤化锡钙钛矿活性层的带隙能（1.42 eV）与第二代半导体材料砷化镓相同，为光电转换材料的最佳取值。卤化锡钙钛矿通常为p型掺杂，少数载流子为光生电子，因此活性层与电子传输层之间的能级匹配和载流子收集很重要。本工作中器件开路电压损失（约0.15 V）已经达到了铅钙钛矿材料的水平，说明对卤化锡钙钛矿调控成膜结晶、优化能级匹配的总体技术路线是有效的。接下来将努力改进卤化锡钙钛矿太阳能电池的短路电流密度和填充因子，使能量转化效率登上新的台阶，并深入开展机理和稳定性方面的研究。

Interfacial Dipoles Boost Open-Circuit Voltage of Tin Halide Perovskite Solar Cells

上海科技大学物质学院长聘副教授、博士生导师、助理院长。米启兮课题组围绕新型半导体材料的理论建模计算、材料合成与晶体结构表征、单晶生长与薄膜制备、体相和表界面缺陷抑制、器件性能优化提升各个方面展开。在近5年中，对无铅（尤其是卤化锡）钙钛矿材料的成分–结构–物性关系及应用方向开展了系统研究，突破了本领域固有看法的束缚，卤化锡钙钛矿太阳电池器件性能达到国际领先水平。