研究进展

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刘生忠教授应邀在德国应用化学（Angew. Chem. Int. Ed.）发表综述和展望

发布人：发布时间：2019-03-19 点击：[]

近日，我校材料科学与工程学院刘生忠教授和兰州大学靳志文教授带领的团队在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上发表了关于銫-铅卤化物基钙钛矿太阳能电池 (CsPbX₃) 的综述，硕士研究生张静茹为论文第一作者。 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201901081)。文中系统总结了CsPbX₃ 钙钛矿太阳能电池领域的最新研究进展。铅基卤化物钙钛矿具有光吸收系数高、载流子扩散距离长、带隙可调等优异的光电性能以及低成本加工的特点。然而，空气稳定性和光稳定性差等钙钛矿材料固有的本征特性仍阻碍着其通往商业化的道路。而采用无机Cs⁺阳离子取代脆弱的有机基团形成銫卤化铅体系 (CsPbX₃) 能够从化学本质上解决这一问题。本文中，作者在对CsPbX₃材料和器件进行了概括性的介绍之后，详细讨论了各种CsPbX₃材料和电池的性能，首先是CsPbI₃，然后是CsPbBr₃，接下来是混合卤化物CsPb(I,Br)₃材料和电池。最后，对CsPbX₃ 钙钛矿太阳能电池的未来发展提出了挑战和展望。

有机无机杂化钙钛矿因其卓越的光电性能以及制备简单等优点，得到了广泛的研究关注。然而，由于有机组分在热应力下易分解，这些电池的长期稳定性并不是很理想，因此使用不含有机阳离子的材料在稳定性方面具有明显优势。采用Cs取代有机基团是一个可行方法。为了深入研究CsPbX₃这一体系，论文对CsPbX₃材料性能进行了探讨，主要集中在晶体结构、电子结构、光物理性质和组成稳定性方面。

图1：CsPbX₃体系中：(a)4种晶体结构；(b)容忍因子t与晶体结构的关系。

CsPbX₃有四种晶体结构：立方相(α-, Pm3m)；四方相(β-, P4/mbm)；正交相(γ-, Pbnm)；非钙钛矿相(δ-, Pnma)。各相的稳定性与温度有关，在较高的温度下对称结构趋于稳定。在CsPbX₃钙钛矿结构中，Pb²⁺和X^-离子形成一个角共享的PbX₆八面体结构，Cs⁺离子占据卤素形成的八面体空隙。当温度降低时，PbX₆八面体结构将逐渐倾斜，晶体结构将由立方向低对称性的四方转变，当温度持续降低，继而形成正交晶型。通常，在室温下CsPbI₃ 是黄色的非钙钛矿相(δ-phase)，而CsPbBr₃ 则呈现正交相(γ-phase)。当CsPbI₃ 转变为黄相时，带隙变大，不适用于太阳能电池器件中。

图2：CsPbX₃体系中：(a)结合能(R^*)，有效质量(μ)和介电常数(ε)与带隙的关系；(b)不同I/Br的晶体结构；(c)不同I/Br薄膜的光学照片。

本文重点论述了目前CsPbX₃领域的发展状况和制备方法，同时对各个卤素配比的銫基电池进行了详细的分析与总结。全无机CsPbX₃ 材料作为一种有机-无机杂化钙钛矿的替代材料已显示出巨大的潜力，特别是在过去的一年里，已经取得了很大的进展。然而，即使考虑到较高的带隙和较低的理论效率，CsPbX₃的光电转换效率仍明显低于传统的有机无机杂化钙钛矿电池。在文章的最后，作者也提出了一些该领域发展遇到的问题，如α-CsPbI₃的相不稳定问题虽然已经取得了很大的进展，其长期稳定仍是问题；关于Sn部分取代Pb的CsPbX₃体系也面临着Sn元素的不稳定问题。在器件物理方面仍有很大的空间需要改进。相信在不久的将来，研究者们会在该领域有更大的突破与进展。