中國粉體網(wǎng)訊  隨著傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣的快速消耗，由此帶來的環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，因而尋求清潔、綠色、可持續(xù)發(fā)展的新能源受到全世界前所未有的關(guān)注。太陽能被認(rèn)為是一種清潔安全、取之不盡用之不竭的理想的可再生能源。當(dāng)前最有效的太陽能利用方式之一是太陽能電池。近年來隨著鈣鈦礦太陽能電池研究的興起，其最高光電轉(zhuǎn)化效率在短短幾年內(nèi)已經(jīng)達(dá)到22.1%。

目前普遍采用的鈣鈦礦太陽能電池的光吸收層為有機(jī)無機(jī)雜化的CH₃NH₃PbI₃或NH₂CH=NH₂PbI₃，該類材料中約35wt%為重金屬鉛，然而鉛基材料在電子產(chǎn)品中的使用受到歐盟及很多國家的嚴(yán)格限制。一種可能的替代鉛的元素為其同主族的錫，如以CH₃NH₃SnI₃和NH₂CH=NH₂SnI₃為光吸收層的鈣鈦礦太陽能電池。

此外，該類有機(jī)無機(jī)雜化的鈣鈦礦材料中有機(jī)離子（CH₃NH₃⁺與NH₂CH=NH₂⁺）占有較大的比重，這將直接導(dǎo)致在未來的鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)應(yīng)用時(shí)的長期穩(wěn)定性問題。最近有研究表明金屬銫離子取代有機(jī)離子的鈣鈦礦材料展示了更好的熱穩(wěn)定性。例如全無機(jī)的無鉛鈣鈦礦材料CsSnI₃的熔點(diǎn)為451 ℃，而鹵化物的無鉛鈣鈦礦材料CH₃NH₃SnI₃和NH₂CH=NH₂SnI₃的降解溫度約為200 ℃，且CsSnI₃可以通過熔融固化反應(yīng)來合成制備。在太陽能電池的工作溫度范圍內(nèi)（20-100 ℃），CsSnI₃具有兩個(gè)同質(zhì)異相體，黑色的B-γ- CsSnI₃與黃色的Y- CsSnI₃，其中黃色的Y- CsSnI₃在太陽能電池中沒有光伏響應(yīng)，而黑色的B-γ- CsSnI₃具有較為適宜的直接帶隙1.3 eV，低的激子束縛能（10-20 meV）及高的載流子遷移率（~585 cm2V-1s-1），是一種理想的鈣鈦礦光伏材料。 

近日，南方科技大學(xué)工學(xué)院國家****特聘專家孫小衛(wèi)講座教授研究團(tuán)隊(duì)利用固相熔融反應(yīng)制備了高純相的無機(jī)B-γ-CsSnI3鈣鈦礦材料，基于該材料制備的異質(zhì)結(jié)耗盡型鈣鈦礦太陽能電池獲得了3.31%的光電轉(zhuǎn)換效率，為當(dāng)前無機(jī)無鉛鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。

研究表明，固相熔融反應(yīng)制備的B-γ-CsSnI₃經(jīng)混合溶劑溶解后制備的薄膜獲得了高純相的XRD結(jié)果，避免了黃色的Y- CsSnI₃相以及降解產(chǎn)物Cs₂SnI₆的生成。通過可控的熱退火過程，獲得了具有顆粒粗化的B-γ-CsSnI₃的薄膜形貌，在退火溫度為100-300℃時(shí)，B-γ-CsSnI₃的平均晶粒尺寸逐步增大至0.5 mm。由于在B-γ-CsSnI3中錫空位VSn具有較低的形成能，易自發(fā)形成類金屬特性的B-γ-CsSnI3。

通過采用密度泛函理論DFT模擬計(jì)算，結(jié)果顯示錫空位VSn沒有導(dǎo)致B-γ-CsSnI₃形成二次相，并對其XRD的衍射曲線結(jié)果影響甚微。通過從介孔結(jié)構(gòu)、scaffold結(jié)構(gòu)至平面結(jié)構(gòu)的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在B-γ-CsSnI₃厚度約為120 nm時(shí)平面結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池獲得了3.31%的光電轉(zhuǎn)換效率，基于此的器件模擬結(jié)果表明該器件為異質(zhì)結(jié)耗盡型。

該工作的合作單位為美國布朗大學(xué)的Nitin P. Padture教授研究組及內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的Zeng Xiao Cheng教授研究組。 該工作的研究結(jié)果為未來全無機(jī)無鉛鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)路線，對無鉛鈣鈦礦電池的發(fā)展具有重要意義。