近日，吉林大学物理学院凝聚态物理系王宁教授团队在无铅钙钛矿太阳电池研究方面取得新进展，相关成果以“Europium Redox Doping to Suppress Sn-I Defect Pairs in Sn Perovskite Photovoltaics”为题，发表在国际知名学术期刊《Device》上。

图1. 文章截图信息

近年来，无铅的Sn基卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光电转换效率（PCE）方面已取得了显著进展。与Pb基钙钛矿相比，Sn基钙钛矿具有更小的光学带隙，能够在更宽的可见光光谱范围内实现光电转化。然而，Sn基钙钛矿面临着更复杂的缺陷行为：Sn²⁺阳离子在空气中极易氧化成Sn⁴⁺，并伴随着Sn空位（V_Sn）的形成，以维持晶格之间的电中性。随着V_Sn浓度的增加，晶格结构的稳定性将受到影响，进而对光电性能产生负面影响。此外，V_Sn的形成引起的晶格畸变迫使碘离子（I^-）在电场或光照刺激下发生迁移，形成碘空位（V_I）。而V_I的聚集可以提高超氧离子的产率，加速钙钛矿的光氧诱导分解,对器件的长期运行构成危害。

图2. Eu²⁺掺杂的钙钛矿膜的实验表征和理论计算:晶体结构、电荷转移和氧化还原性质。

(A) 通过E⁰和吉布斯自由能ΔG⁰比较四种可能发生的反应。(ΔG⁰ = -nFE⁰，其中n为反应中转移的电子数，F为法拉第常数)。(B)Eu²⁺掺杂前后V_I的形成能。(C)电荷转移过程中各位置平均静电势的计算。其中，a、b和c表示不同位置的静电势:黑色虚线表示电荷通过有FA存在的碘骨架时的静电势；紫色虚线表示电荷通过无机八面体框架时的静电势；玫瑰色虚线表示电荷通过有FA存在的Eu²⁺结合碘骨架时的静电电位。(D)荧光系统测试示意图。(E)两种情况对应的电荷跃迁势垒。

在这项研究中，王宁教授团队通过氧化还原金属铕（Eu²⁺）的掺杂成功地缓解了Sn钙钛矿中与锡-碘缺陷相关的问题。与传统的金属掺杂方法不同，氧化还原金属掺杂不仅能够在钙钛矿形成的早期阶段抑制Sn-I缺陷，还能为载流子创建更为畅通的传输路径。研究团队发现，在酸性溶液中，Eu²⁺与Sn⁴⁺和I⁰之间的氧化还原反应是热力学上有利的。Eu²⁺表现出更强的还原能力，为整个体系创造了有利的还原环境，有效降低了I⁰缺陷的形成，并抑制了Sn²⁺的氧化过程。经过理论和实验验证，Eu²⁺的引入改变了Sn钙钛矿晶格中[SnI₆]^4-八面体的几何结构和电子结构，降低了载流子沿无机八面体骨架转移的能量势垒，有效延长了载流子的寿命，并促进了电荷的转移和收集。最终，Eu²⁺掺杂的Sn-PSCs表现出优异的光伏性能，PCE可达13.66%，同时稳定性也得到显著提升。 这项工作开启了使用多种其他金属元素进行氧化还原金属掺杂的可能性，为进一步改进无铅Sn-PSCs和其他光电子器件（如发光二极管和光电探测器）开辟了广阔的研究空间。

本论文的第一作者为吉林大学物理学院凝聚态物理专业博士研究生马雪，通讯作者为香港科技大学化学与生物工程系周圆圆教授和吉林大学物理学院王宁教授。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://doi.org/10.1016/j.device.2024.100294

Device介绍

Device由Cell Press细胞出版社创办的Physical science期刊，是Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊，Device发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。