当今时代，由于化石燃料的使用所造成的环境问题日益加剧，清洁环保的太阳能引起了人们的广泛关注。太阳能电池是对太阳能直接利用的方式之一，也是助力我国“双碳”目标早日达成的重要途径。近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池吸引了国内外课题组的广泛关注，其效率也不断攀升，最新的认证效率已经超过26%，可以跟传统硅基太阳能电池媲美。但是这类电池目前存在的问题主要是光伏材料本身含铅所带来的环境问题，严重制约其大规模商业化应用。

传统铅基钙钛矿材料的分子式为APbX₃。如果用一个一价金属离子和一个三价金属离子来代替两个铅离子，即可形成分子式为A₂M⁺M³⁺X₆的双钙钛矿。针对铅基钙钛矿所面临的毒性问题，人工微结构和介观物理国家重点实验室有机光电团队曲波副教授，王树峰副教授，陈志坚教授和肖立新教授等于2017年首次制备出了基于非铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆的高质量薄膜及其太阳能电池（图1A,Adv. Sci.2018, 5, 1700759），并继而利用该非铅双钙钛矿材料制备了可见光平均透过率高达73%的半透明太阳能电池（图1B,Sol. RRL2020, 4, 2000056）。

图1 非铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆的光伏应用。

然而，非铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆相对较大的带隙(~2.0 eV)阻碍了其在更长波段的可见光及近红外区域的光电应用。有机光电团队通过深能级痕量掺杂（～1%）铁元素(图1C,Adv. Funct. Mater.2021, 32，2109891)和钌元素(图1D,Mater. Adv.2022, 3, 4932)取代Cs₂AgBiBr₆中的部分Bi元素，将其吸收范围拓宽至近红外光区域（1200-1350 nm），由此制备的单晶材料具有优异的近红外光探测性能。鉴于在非铅双钙钛矿能带调控方面的工作积累，团队受邀撰写了综述文章（图1E,J. Phys. Chem. Lett.2023, 14, 5310）。

目前，非铅钙钛矿的光伏性能仍然达不到理论预期。团队通过总结不同非铅钙钛矿存在的问题（Mater. Today Energy2018, 8, 157;Adv. Energy Mater.2019, 1902496），发现这些限制主要源于非铅钙钛矿的低结构维度或低电子维度特性所导致的低载流子传输和自陷效应，以及由此加剧的非辐射复合。针对非铅钙钛矿光伏发展的瓶颈问题，团队认为可以通过调控结构维度或者电子维度来突破非铅钙钛矿光伏应用的瓶颈（图2），并提出如下具体解决方案：

1）通过设计功能化的间隔阳离子，获得具有更好化学本征稳定性的低维结构的锡基钙钛矿，构建低维/三维(LD/3D)结构是同时提高锡基钙钛矿光伏效率和稳定性的可行方法；

2）通过共轭基团等打破体相双钙钛矿中载流子不导通的八面体的独立性，提升其电子维度，并将其由间接带隙转变为直接带隙，是改善双钙钛矿光伏效率的有效途径；

3）对于缺陷结构的非铅钙钛矿材料（A₃B₂X₉等），通过晶格元素掺杂改变其结构维度或晶格间隙掺杂提升其电子维度是有望打破载流子提取瓶颈的另一种途径。

近期，相关研究结果受邀以“通过维度调控突破非铅钙钛矿太阳能电池的瓶颈”（Breaking the bottleneck of lead-free perovskite solar cells through dimensionality modulation）为题并作为封面文章发表于《英国皇家化学学会评论》（Chemical Society Reviews,2024,53,1769-1788).

图2 维度调控突破非铅钙钛矿光伏应用瓶颈（封面）。

北京大学物理学院2018级博士生俞文锦、2019级博士生邹瑜及2021级博士生王涵韬为共同第一作者，河北工业大学吴存存副教授，本实验室有机光电团队曲波副教授和肖立新教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金以及人工微结构和介观物理国家重点实验室的资助。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cs/d3cs00728f

信息来源：北京大学物理学院网站