西安交大科研人员实现基于双功能分子的前驱体—溶液策略提高锡基钙钛矿的稳定性

在第三代薄膜电池中，有机无机复合钙钛矿光伏器件是目前国际光伏领域的前沿研究热点。然而，重金属铅的使用限制了其产业化应用。如何开发环境友好的非铅钙钛矿光伏器件成为国内外能源领域新的机遇与挑战。从结构上讲，环境友好的锡有着与铅类似的外层电子结构，且窄带隙的锡基钙钛矿材料器件在应用方面有更高的理论效率极限，因而Sn基钙钛矿是替代Pb基钙钛矿的首选。然而，Sn基钙钛矿中Sn2+的易氧化特性及低反应势垒引起的超快结晶这两大关键科学问题严重影响了Sn基钙钛矿的稳定性，也成为其进一步提高效率的瓶颈。

为了解决这些问题，科研人员通过溶剂工程、维度调控、形成路易斯酸碱加合物及后处理等策略来控制结晶速率；同时还原性添加剂被用来抑制Sn2+到Sn4+的氧化，然而对于常用的金属卤化物SnI2前驱物在前驱液及成膜过程中的氧化机理仍缺乏深入的了解，这与钙钛矿薄膜的质量和缺陷态密切相关，同时也与高效光伏器件的可重复性有关。

不同于现有的“单途径”调控手段，吴朝新教授组从影响锡基钙钛矿薄膜质量的双重因素同时入手，提出一种基于双功能“还原性络合物”媒介的缺陷调控策略。研究了具有络合功能的N-甲基甲酰苯（NMF）和双功能的还原性络合物对乙酰氨基苯酚（AP）。首先，通过调控作为缺陷形成“起点”的SnI2前驱物的价态稳定和键能稳固，实现“Sn2+氧化抑制”和“结晶可控”的兼顾并行；其次，观察到这类还原性络合物从“源头”和“过程”上提高了锡基钙钛矿太阳能电池的稳定性与效率。结果，经AP修饰的Sn基钙钛矿太阳能电池的能量转换效率为10.03 %（认证效率9.38 %）。在1000小时光老化试验下，效率衰减小于10%。

本研究中提出的还原性络合双功能添加剂能为制备高效稳定的Sn基钙钛矿太阳能电池提供一种简便有效的新思路。

该项研究工作近期发表于国际期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）（影响因子18.808）。论文第一作者为课题组博士生曹向荣，董化副教授、吴朝新教授和李璟睿特聘研究员为共同通讯作者，西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。该工作得到自然科学基金委项目等的支持。

西安交通大学吴朝新教授团队长期研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管，近期有多项重要成果发表于国际顶级期刊。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104344