近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室王宁教授团队在高效率无铅钙钛矿太阳电池研究方面取得重要进展，相关成果以“Chemo-thermal surface dedoping for high-performance tin perovskite solar cells”为题发表在Cell的姊妹期刊《Matter》上。
自2009年Miyasaka课题组首次制备出3.8%的光电转换效率的钙钛矿太阳能电池以来，目前钙钛矿太阳电池效率已经突破25.7%。然而现阶段高性能钙钛矿太阳电池均使用卤化铅钙钛矿作为光敏层，其中铅的毒性问题始终制约着其商业化的发展，因此制备高性能无铅钙钛矿太阳电池迫在眉睫。锡的电子构型ns2np2与铅相似，同时相比于其他无铅钙钛矿材料锡基钙钛矿具有合适的光学带隙(1.2~1.4 eV)、高光吸收系数、低激子结合能和极高的载流子迁移率等优异的光电性能。但由于Sn(Ⅳ)在三维钙钛矿晶格中形成能较低，导致锡基钙钛矿薄膜中Sn(Ⅱ)易自发转化为Sn(Ⅳ)而造成自掺杂形成锡空位缺陷，严重影响器件开路电压的提高和稳定性。因此抑制钙钛矿薄膜中Sn(Ⅳ)的自掺杂是制备高效率锡基光伏器件的有效策略。
基于此，王宁教授研究团队提出并实现了一种新的工程概念-化学热表面退掺杂，通过深入研究发现甲脒盐酸盐(FACl)能够与钙钛矿薄膜中自发形成的四碘化锡形成配合物(SnI4·xFACl)并降低其升华温度，并在此基础上进一步提出于薄膜表面蒸镀甲脒盐酸盐分子层并在后续的退火过程中实现化学热退掺杂。通过对器件进行一系列表征后发现，钙钛矿薄膜表面的缺陷态密度显著降低且载流子寿命提高了3倍，有效抑制了Sn(Ⅳ)自掺杂对器件性能的影响，实现了14.7% 的能量转换效率。器件效率的提高得益于薄膜中Sn(Ⅳ)空位缺陷态密度的降低，同时退掺杂对薄膜表面能带结构的改善使器件具有更好的能级匹配，有利于载流子的提取和输运。该器件在氮气氛围下保存1000小时后仍具有92%的初始效率保留率，具有良好的稳定性。该工程概念为解决锡基钙钛矿薄膜中Sn(Ⅳ)自掺杂问题以及制备高性能锡基钙钛矿太阳电池提供了新的思路和理论指导。
本论文的第一作者为吉林大学物理学院2019级凝聚态物理专业硕士研究生周建恒，通讯作者为吉林大学王宁教授和香港浸会大学周圆圆教授。该工作得到了国家自然科学基金委、吉林省科技厅和吉林大学优秀青年教师培育计划等资金的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.013
