近日，四川大学材料学院赵德威教授团队报道了锡基钙钛矿太阳电池的最新研究进展，相关成果“Regulating Compressive Strain Enables High-Performance Tin-Based Perovskite Solar Cells”发表在Advanced Energy Materials。四川大学材料科学与工程学院为本文唯一通讯单位，赵德威教授为本文唯一通讯作者，2024级博士研究生金佳伦为本文第一作者。
锡基钙钛矿太阳电池由于其低毒性、合适的带隙和高载流子传输而成为铅基钙钛矿太阳电池的有利替代者。然而，相较于铅基，锡基钙钛矿太阳电池效率仍需要进一步提升。许多策略已被报道应用，例如缺陷钝化、维度工程和溶剂/反溶剂工程等。但是针对于钙钛矿软离子特性，易造成重大影响的应变工程在锡基中的报道甚少。
通常，铅基钙钛矿的带隙随着拉伸应变的增加而变宽，随着压缩应变的增加而变窄。电子能带结构的变化和能带曲率的改善增加了载流子的有效质量，使得钙钛矿内的载流子动力学得到了优化。此外，应变在多方面对钙钛矿薄膜和器件产生影响，包括应变对钙钛矿晶格常数的影响，会改变载流子离域距离，从而影响载流子复合；应变诱导的对晶粒尺寸和晶体生长方向的影响会导致晶粒和亚晶粒的紊乱，导致缺陷态密度增加，进而影响器件性能；由应变引起的点缺陷和扩展缺陷是严重非辐射复合的直接来源。到目前为止，关于锡基钙钛矿中的应变类型及其对器件性能影响的研究很少，它们的潜在机制有待挖掘。
图1. a）应变工程调控锡基钙钛矿示意图，b）Control和FBZABr修饰薄膜的TEM表面形貌图以及衍射图，c）不同程度残余应变的锡基钙钛矿太阳电池J-V曲线
基于此，赵德威教授团队提出了一种应变工程策略，将4-氟苄基卤化铵盐 (FBZAX，X = I、Br、Cl) 掺杂至钙钛矿前驱体中，以调节所得锡基钙钛矿薄膜中的残余应变。本工作报告了FASnI3锡基钙钛矿中存在的残余压缩应变，这与铅基钙钛矿中常见的拉伸应变有所区别。钙钛矿薄膜中的残余压缩应变按照Control、FBZAI修饰、FBZABr修饰和FBZACl修饰薄膜的顺序逐渐减小。结果表明，适度的压缩应变（FBZABr修饰）有利于锡基钙钛矿太阳电池效率的提高，而过度的压缩应变（Control）则会产生负面影响。基于FBZABr修饰应变工程的优化源于两个因素：第一，残余压缩应变的适度缓解减轻了钙钛矿薄膜中的位错，这有利于载流子传输；第二，残余压缩应变的松弛降低了钙钛矿薄膜中的缺陷态密度，延长了载流子寿命。最终，基于FBZABr修饰的锡基钙钛矿太阳电池的冠军效率达到14.1%，并具有超过190小时的操作稳定性。
上述研究工作得到国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费专项资金、四川大学工科特色团队项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202403718
