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)境污染和能源危機日益嚴峻，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注。太陽能被認為是一種清潔安全、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，其最高光電轉化效率在短短幾年內(nèi)已經(jīng)達到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無機雜化的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，該類有機無機雜化的鈣鈦礦材料中有機離子（CH₃NH₃⁺與NH₂CH=NH₂⁺）占有較大的比重，這將直接導致在未來的鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)應用時的長期穩(wěn)定性問題。最近有研究表明金屬銫離子取代有機離子的鈣鈦礦材料展示了更好的熱穩(wěn)定性。例如全無機的無鉛鈣鈦礦材料CsSnI₃的熔點為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，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，南方科技大學工學院國家****特聘專家孫小衛(wèi)講座教授研究團隊利用固相熔融反應制備了高純相的無機B-γ-CsSnI3鈣鈦礦材料，基于該材料制備的異質(zhì)結耗盡型鈣鈦礦太陽能電池獲得了3.31%的光電轉換效率，為當前無機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，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模擬計算，結果顯示錫空位VSn沒有導致B-γ-CsSnI₃形成二次相，并對其XRD的衍射曲線結果影響甚微。通過從介孔結構、scaffold結構至平面結構的器件結構優(yōu)化，在B-γ-CsSnI₃厚度約為120 nm時平面結構的鈣鈦礦太陽能電池獲得了3.31%的光電轉換效率，基于此的器件模擬結果表明該器件為異質(zhì)結耗盡型。

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