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EES：川大趙德威團隊在環境友好錫基鈣鈦礦太陽能電池方面取得新進展

來源：四川大學      2022-11-07
導讀：10月27日，國際學術期刊Energy & Environmental Science在線發表了材料科學與工程學院趙德威教授、北京師范大學龍閏教授、中科院福建物構所高鵬教授合作團隊題為“Revealing Superoxide-Induced Degradation in Lead-free Tin Perovskite Solar Cells”的研究成果。
Energy & Environmental Science由英國皇家化學學會（RSC）出版社主辦，在國際上享譽盛名，是RSC旗下世界公認的能源與環境科學領域的頂級刊物，在能源和環境科學領域400余份期刊中排名前二。合作團隊分別從理論與實驗角度對環境友好型錫基鈣鈦礦FASnI3的光氧穩定性進行了系統的研究，揭示了超氧離子對錫基鈣鈦礦和太陽能電池穩定性的致命影響，并提出了提升穩定性和效率的應對策略。

目前，環境友好型錫基鈣鈦礦材料在光電應用領域已顯示出巨大的潛力。與鉛基鈣鈦礦材料相比，其不僅具有較輕的生物毒性，而且具有同樣優異的光電性能，包括更窄的帶隙和更高的載流子遷移率。基于此，錫基鈣鈦礦電池的光電轉換效率目前已經突破14%。錫基鈣鈦礦最嚴重的問題在于其更容易受到氧氣的影響（Sn2+易被氧化為Sn4+），這一缺點雖然已引起廣泛的研究，然而它們在同時光照和氧氣（以下簡稱光氧）暴露條件下的穩定性尚待探索。
在本工作中，合作團隊首次發現了錫基鈣鈦礦FASnI3在光氧暴露條件下比僅在氧氣暴露條件下會發生更加嚴重的降解，這是由于氧氣接受光激發電子從而產生的超氧離子所引起的。進一步地，提出并證明了超氧誘導FASnI3降解的途徑：即超氧離子可以使FASnI3分解成CH4N2、SnO2、I2和H2O。理論計算結果表明，與FAPbI3相比，超氧離子的最優形成位點（碘空位，VI）在FASnI3中更容易形成，并且在FASnI3的VI處超氧離子的生成在能量上更加有利。上述結果表明超氧離子對錫基鈣鈦礦會造成更加負面的影響。因此，合作團隊通過在前驅體溶液中加入含鹵素的添加劑theophylline-Br以填充FASnI3中的碘空位VI來抑制超氧離子的形成。結合基于熒光分子探針的超氧離子產率測試，電容主導的相關表征（例如熱導納光譜、激勵電平電容壓型、莫特肖特基測試等）可系統地區分鈍化處理后鈣鈦礦薄膜表面和內部VI的減少。由于theophylline-Br對鈣鈦礦表面和內部VI的良好鈍化作用，有效抑制了超氧離子的形成，顯著提高了器件的光氧穩定性，并將器件效率提升到13.8%。這一工作所揭示的機理表明了超氧離子對錫基鈣鈦礦穩定性的致命影響，并為未來錫基鈣鈦礦太陽能電池穩定性改善策略的研究提供了全新的思路和見解。
四川大學2021級博士生張志皓為論文第一作者，四川大學趙德威教授、北京師范大學龍閏教授和中科院福建物構所高鵬教授為論文共同通訊作者。四川大學材料科學與工程學院為第一通訊單位。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、四川大學工科特色團隊、四川省科技計劃項目、中央高校基本科研業務費專項資金等資助。
文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee02796h
參考資料：https://news.scu.edu.cn/info/1153/40852.htm

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