在钙钛矿太阳能电池研究中，如何将铅元素替换为低毒的锡元素并保持优异的材料性能是科研人员一直试图攻克的难题。近期，上海科技大学物质科学与技术学院米启兮课题组开发出一种能显著增加锡基钙钛矿太阳能电池开路电压、进而提升其光电转换效率的方法，相关研究成果得到同行评审的一致好评，通过优先渠道在线发表于国际学术期刊《美国化学会能源快报》(ACS Energy Letters)。
图1：米启兮教授（左）和第一作者研究生施跃东（右）
钙钛矿是近年迅速发展的新一代光电转换材料，含铅钙钛矿太阳能电池已日趋成熟并走向产业化。锡作为与铅同主族且环境友好的元素，可用于替代铅制备锡基钙钛矿材料。该材料同时具有晶体结构稳定、半导体性能优良等特点，适用于建筑一体化、可穿戴和医疗健康等应用。然而近三年来，锡基钙钛矿太阳能电池器件中开路电压与短路电流这两项重要性能指标相互制约，导致光电转换效率处在14%–15%的平台期，总体性能有待提升。
图2：本研究工作通过引入表面偶极分子，改善了锡基钙钛矿与电子传输材料之间的能级匹配关系，从而大幅改善了太阳能电池的开路电压和光电转换效率。
针对锡基钙钛矿领域的瓶颈局面，米启兮课题组分析了太阳能电池开路电压和短路电流的受限原因，并自主制定了总体性能提升的技术路线。开路电压主要由材料缺陷和界面能级匹配两方面决定，前者已由课题组前期研究解决，而本研究则聚焦于后者，即锡基钙钛矿与电子传输材料之间的能级匹配。研究团队发现，对氟苯乙胺氢溴酸盐（FPEABr）能够在锡基钙钛矿薄膜的上界面引入分子偶极，相当于在原本高低不平的两个台阶之间搭上一个斜坡，从而降低了光生电子从锡基钙钛矿薄膜到电子传输材料需要越过的门槛（图1）。由此，锡基钙钛矿太阳能电池的开路电压从0.883 V提升至0.974 V，而短路电流保持基本不变，实现了经第三方专业认证的15.7%的光电转化效率，为锡基钙钛矿乃至整个非铅钙钛矿领域目前已报道的最高值。
图3：研究人员（左起：缪东昊、朱子豪、米启兮、施跃东、丁宇辰）