效率超过11%的Sn基钙钛矿太阳能电池

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

有机-无机杂化钙钛矿材料由于其优异的光电性能引起了科研工作者广泛的关注，但传统钙钛矿中Pb的毒性限制了其商业化进程，用环境友好的Sn元素替代Pb能够有效地解决这一问题。然而，Sn基钙钛矿太阳能电池目前存在效率低、稳定性差等问题。近日，北京大学化学与分子工程学院黄春辉课题组在制备Sn基钙钛矿太阳能电池研究中取得了新的进展，通过引入具有还原性作用的盐酸苯肼（PHCl）作为添加剂，成功制备了光电转化效率达11.4%且具有自修复功能的Sn基钙钛矿太阳能电池。

在这项工作中，作者发现在FASnI₃前驱液中加入PHCl后，薄膜的晶粒变得大且光滑，但是过量引入PHCl会有孔洞产生。通过瞬态光谱测试，发现PHCl引入后可以将载流子寿命从7.6 ns提升至25.6 ns，说明PHCl的引入能有效地抑制了载流子的复合。通过采用氧化铟锡（ITO）/聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）/FASnI₃/C₆₀/2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉（BCP）/银（Ag）的反向器件结构制备相应的太阳能电池，最佳器件的光电转化效率可达11.4%，且未封装的器件在手套箱中保存110天后效率几乎无衰减。此外，当器件短时间暴露含氧环境后，还可以表现出效率恢复特性。

为了进一步探究器件的高效率、高稳定性和自修复性能的根源，作者结合稳态发射光谱、X射线光电子能谱以及前驱液原位反应等测试，发现PHCl能够还原前驱液中的Sn⁴⁺。这一结果表明，PHCl的引入能够降低前驱液和钙钛矿薄膜中Sn⁴⁺的含量，即使器件中部分Sn²⁺被氧化了，薄膜中的PHCl也能将其还原。此外，PHCl的苯基对水和氧具有阻滞作用，也在一定程度上抑制了Sn²⁺的氧化。这些综合性因素使得器件同时具备了优异的光电转化效率、高稳定性和自修复性能，为Sn基钙钛矿的发展提出了一个新的研究思路。

这一成果发表在Advanced Materials 上，文章的共同第一作者是北京大学的博士研究生王程博和顾飞丹，通讯作者为刘志伟副教授。

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Self-Repairing Tin-Based Perovskite Solar Cells with a Breakthrough Efficiency Over 11%

Chengbo Wang, Feidan Gu, Ziran Zhao, Haixia Rao, Yaming Qiu, Zelun Cai, Ge Zhan, Xiaoyue Li, Boxun Sun, Xiao Yu, Boqin Zhao, Zhiwei Liu, Zuqiang Bian, Chunhui Huang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201907623

刘志伟博士简介

刘志伟，北京大学化学与分子工程学院副教授，博士生导师。2003年本科毕业于华中师范大学化学学院，2008年获北京大学无机化学专业博士学位，2008-2011年先后在多伦多大学和南加州大学从事博士后研究。主要研究方向是金属配合物光电转换材料与器件，近年来的研究兴趣主要集中在稀土配合物的光致发光与电致发光，以及锡基钙钛矿太阳能电池。在Science、Nat. Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文100余篇；撰写或参与撰写《金属配合物电致发光》（2019，科学出版社）、Topics in Organometallic Chemistry、The Future of Semiconductor Oxides in Next-Generation Solar Cells等专著。

科研思路分析

Q：这项研究的最初想法是如何产生的呢？

A：我们课题组长期致力于Sn基钙钛矿太阳能电池的研究，而遏制Sn基钙钛矿效率的主要原因之一就是Sn²⁺易被氧化，我们尝试过添加不同种类的还原剂进行调控，有的添加剂还原能力的过强，无法稳定存在于薄膜中，有的还原能力太弱，不能有效抑制Sn²⁺的氧化。通过不断地优化，最终确定了盐酸苯肼PHCl为一种优异地还原剂。

Q：研究过程中遇到过哪些挑战呢？

A：对盐酸苯肼PHCl的自修复机理的探究困扰了我们很久。我们最开始尝试用原位核磁进行表征，但峰的指认出现了很多困难。在尝试不同方法后确定了用PL光谱和前驱液原位反应的手段最终揭示了其自修复机理。