近日，吉林大学物理学院凝聚态物理系王宁教授团队在锡基钙钛矿太阳电池（PSCs）研究方面取得重要进展，相关成果以“Mitigating Surface Defects in Tin-Based Perovskite Films with α-Tocopherol for Enhanced Solar Cell Performance”为题发表在国际知名学术期刊《Small》（DOI:10.1002/smll.202307373）。

图1. 文章截图信息

锡（Sn）基钙钛矿因其合适的光学带隙、高吸收系数和长载流子扩散长度等优异的物理性能，被视为铅（Pb）基钙钛矿的理想替代材料。然而，现阶段锡基PSCs的研究面临着一系列严峻挑战。与Pb基钙钛矿相比，Sn基钙钛矿薄膜的结晶过程更难以控制，薄膜形貌较差，容易形成无序晶粒，产生大量三维缺陷。这些缺陷破坏了晶体中原子的周期排列，使表面原子更易与周围环境中的水和氧分子发生相互作用，从而导致严重的体缺陷形成，极大地影响了Sn基PSCs的器件效率和稳定性。

图2. Sn基钙钛矿缺陷示意图及相应的缺陷钝化策略。

针对上述问题，王宁教授研究团队提出一种由天然维生素E（α-生育酚）诱导的表面缺陷钝化策略。通过将α-生育酚引入到锡基钙钛矿前驱体溶液中，利用添加剂分子与前驱体成分之间的分子间相互作用力，他们成功地延缓了锡基钙钛矿的结晶速率，提高了薄膜质量，从而达到了抑制表面缺陷的目的。实验结果显示，由于α-生育酚分子体积较大，所以无法进入钙钛矿晶格，而是分别与钙钛矿末端的甲脒阳离子(FA⁺)和[SnI₆]^4-八面体之间形成范德华相互作用和氢键相互作用。这种分子间相互作用力，显著改善了钙钛矿薄膜的形貌，降低了薄膜内部的氧化行为和带隙中深能级缺陷的形成。通过DFT理论计算分析，作者证实了在带隙内具有深阱态的I-Sn反位缺陷(I_Sn)和Sn间隙缺陷(Sn_i)被有效抑制。最终，作者成功制备了功率转换效率(PCE)达到13.14%的锡基PSCs，并将锡基PSCs的寿命延长到50天以上。这项研究通过引入α-生育酚，利用其与钙钛矿前驱体的分子间相互作用力，有效延缓了Sn基钙钛矿的结晶过程，减少了表面缺陷的形成。此外，对深能级缺陷的抑制也为提高太阳能电池性能和稳定性提供了理论支持。最终实现了Sn基PSCs性能的显著提升，为其在实际应用中的进一步推广打下了坚实基础。

图3. Sn-PSCs的器件性能。

本论文的第一作者为吉林大学物理学院凝聚态物理专业2020级博士研究生马雪，通讯作者为吉林大学物理学院王宁教授，共同通讯作者为东南大学的巨明刚教授。该工作得到了国家自然科学基金委、吉林省科技厅等资金的资助。

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307373