近日，国际知名学术期刊《Small》刊发了36365线路检测中心凝聚态物理系王宁教授在锡基钙钛矿太阳能电池领域的研究论文：“Efficient Tin Perovskite Solar Cells via Suppressing Autoxidation in Inert Atmosphere”（DOI：10.1038/ smll.202306115）。

图1. 文章截图信息

锡基钙钛矿以其可调的光学带隙，高载流子迁移率和长的热载流子寿命，被视为替代铅基钙钛矿的最有潜力的光伏技术之一。然而，锡基钙钛矿中的二价锡离子（Sn²⁺）易被氧化为四价锡离子（Sn⁴⁺）,可导致严重的p型自掺杂和载流子的非辐射复合，影响锡基钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。尽管可以通过封装等技术手段避免锡基钙钛矿同水氧的接触，但在电池运行过程中仍能观测到Sn²⁺的氧化现象。

图2. 锡基钙钛矿薄膜在惰性氛围下的光照分解SEM图像及EDS能谱

有鉴于此，本工作以混合阳离子锡基钙钛矿为例，探讨了锡基钙钛矿在惰性气体氛围下的自氧化分解机制。通过将锡基钙钛矿模拟为包覆着有机/无机阳离子的Sn-I八面体框架，发现当光子注入锡基钙钛矿晶格时，锡基钙钛矿晶格中的MA⁺/FA⁺有机阳离子通过耦合作用向Sn-I八面体框架传递能量，导致Sn-I八面体框架发生结构性扭曲。能量的持续累积导致Sn-I键发生断裂并释放自由碘离子（I^-）,随后以单质碘（I₂）的形式将Sn²⁺氧化为Sn⁴⁺。此外，锡基钙钛矿太阳能电池在运行过程中产生的焦耳热削弱了Sn-I键的强度，加速了整个光分解反应的进程。基于以上发现，我们通过开发一种光-暗循环测试方法，并掺杂一定比例的Cs，实现对弹性锡基钙钛矿晶格的调控，最终制备了光电转换效率（PCE）为14.41%的锡基钙钛矿太阳能电池。

图3. DFT计算的锡基钙钛矿在光子注入条件下的晶格演变

图4. 光-暗循环测试下的锡基钙钛矿太阳能电池J-V特性演变

本工作第一完成单位为36365线路检测中心，第一作者为凝聚态物理专业博士研究生张宇，36365线路检测中心王宁教授为通讯作者。

本工作得到了国家自然科学基金委、吉林省科技厅等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202306115