我校物質(zhì)學(xué)院系統(tǒng)材料學(xué)研究部寧志軍教授課題組開(kāi)發(fā)了一種二維-準(zhǔn)二維-三維（2D-準(zhǔn)2D-3D）梯度結(jié)構(gòu)的錫基鈣鈦礦光電薄膜材料,基于此梯度結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了9.41%，是目前國(guó)際上已報(bào)道的穩(wěn)態(tài)輸出效率最高的非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。北京時(shí)間10月5日，該成果以“2D-Quasi 2D-3D Hierarchy Structure for Tin Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability”為題，于《Cell》旗下能源類(lèi)期刊《Joule》在線(xiàn)發(fā)表。

21世紀(jì)，能源問(wèn)題是人類(lèi)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，太陽(yáng)能電池是目前解決能源需求的有效手段之一。鈣鈦礦因其載流子遷移率高、光譜吸收范圍寬和激子結(jié)合能低等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的太陽(yáng)能電池材料。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了超過(guò)多晶硅電池的23.3%的認(rèn)證效率。然而鉛鈣鈦礦的毒性為其應(yīng)用帶來(lái)了一定的不確定性，開(kāi)發(fā)無(wú)毒或低毒的光電材料具有重要意義。在眾多無(wú)鉛替代物中，同族的具有相似殼層電子結(jié)構(gòu)的錫是一種理想的替代物。錫基鈣鈦礦是一種低毒且具有理想帶隙（≈ 1.3 eV）的光伏材料，但錫基鈣鈦礦也具有高本征空位濃度和易氧化的缺點(diǎn)。寧志軍課題組在前期的工作中通過(guò)引入長(zhǎng)鏈有機(jī)陽(yáng)離子（苯乙胺）形成低維結(jié)構(gòu)，能夠有效保護(hù)錫基鈣鈦礦(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139,6693-6699)。但低維度的鈣鈦礦薄膜由于取向生長(zhǎng)方向和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)兼具高效率和高穩(wěn)定性的太陽(yáng)能電池。

為進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，寧志軍課題組利用假鹵素調(diào)控劑NH₄SCN調(diào)控含苯乙胺的錫基鈣鈦礦薄膜結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程。假鹵素調(diào)控劑NH₄SCN可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦成核和晶體生長(zhǎng)過(guò)程分離，并且NH₄SCN在退火過(guò)程分解除去，最終制備出2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜。該梯度結(jié)構(gòu)鈣鈦礦能增強(qiáng)薄膜的抗氧化性，降低薄膜缺陷濃度，提高載流子傳輸性能?；诖颂荻冉Y(jié)構(gòu)的錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了9.41%的光電轉(zhuǎn)化效率。在電池穩(wěn)定性追蹤測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)過(guò)近600小時(shí)依然能維持90%的初始效率。

該工作證明通過(guò)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的調(diào)控可以有效降低鈣鈦礦的氧化，對(duì)錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提高具有重要意義；同時(shí)，通過(guò)調(diào)控劑來(lái)調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶生長(zhǎng)也為鈣鈦礦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一條新的思路。

該課題的研究工作全部在上科大完成。寧志軍教授課題組2017級(jí)博士研究生王飛為第一作者，2018級(jí)博士研究生姜顯園為共同第一作者；劉偉民教授課題組進(jìn)行了超快瞬態(tài)吸收光譜方面的測(cè)試，其課題組2017級(jí)碩士研究生魏景樂(lè)為共同作者；寧志軍為通訊作者，上科大為第一完成單位。該項(xiàng)研究得到了科技部-重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專(zhuān)項(xiàng)，上科大科研啟動(dòng)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30450-1

圖1.(A) 對(duì)照組錫鈣鈦礦薄結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性示意圖；(B)2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)錫鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性示意圖。

圖2. (A) J-V曲線(xiàn)(AM1.5G，100mW/cm²)；(B) 600 h穩(wěn)定性追蹤測(cè)試圖；(C) 2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)錫鈣鈦礦薄膜淺表面GIWAXS圖(掠入射角：0.2°)；(D)2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)錫鈣鈦礦全薄膜GIWAXS圖(掠入射角：2°)。

王飛、寧志軍、姜顯園（從左至右）在薄膜沉積系統(tǒng)前