背景

近年來，隨著鉛基鈣鈦礦在低成本、高效率的太陽能電池中應(yīng)用，這種極具前景的材料獲得了許多關(guān)注。然而，鉛所固有的不穩(wěn)定性與毒性，引起了人們對(duì)于鉛基鈣鈦礦的可行性的嚴(yán)重憂慮，阻礙了基于這些材料的太陽能電池以及類似器件的大規(guī)模商用。

近期，針對(duì)鉛基鈣鈦礦的毒性，無鉛鈣鈦礦作為一種替代方案被提出，可是目前由于其效率較低，所以目前用處不大。

創(chuàng)新

韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）自然科學(xué)院教授Tae-HyukKwon領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究，采用無鉛鈣鈦礦，朝著新一代太陽能電池邁出了重要的一步。

韓國光州科學(xué)技術(shù)院（GIST）教授YoonsooPang及其團(tuán)隊(duì)也參與了這項(xiàng)研究。2018年11月份，他們的研究成果發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域高度知名的期刊《先進(jìn)能源材料（AdvancedEnergyMaterials）》上。

下圖所示：從左到右依次是UNIST自然科學(xué)院的KwangMinKim、ByungManKim、HyeonOhShin以及TaeHyukKwon教授。

技術(shù)

在各種替代鉛的方案中，研究團(tuán)隊(duì)采用了“空位有序”的雙鈣鈦礦（Cs2SnI6）。雖然Cs2SnI6的前景被看好，但是它的表面狀態(tài)及機(jī)理在很大程度上仍然是不清楚的。因此，為了未來設(shè)計(jì)基于Cs2SnI6的器件，科學(xué)家們很有必要進(jìn)行綜合研究以澄清Cs2SnI6的這些特性。

通過這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)仔細(xì)觀察了Cs2SnI6的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，目的在于搞清楚其表面狀態(tài)的機(jī)理。為了這個(gè)目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“三電極系統(tǒng)”來觀測通過Cs2SnI6表面狀態(tài)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移。他們也采用了循環(huán)伏安法與莫特-肖特基方程來探索Cs2SnI6的表面狀態(tài)，Cs2SnI6的電位與帶隙有關(guān)。

觀測通過Cs2SnI6表面狀態(tài)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移的三電極系統(tǒng)（圖片來源：UNIST）

他們的分析表明，Cs2SnI6表面狀態(tài)的氧化還原活性高，可以在碘化物氧化還原介質(zhì)存在的情況下高效充放電。除此之外，基于Cs2SnI6的電荷再生器系統(tǒng)的制備證實(shí)了“電荷轉(zhuǎn)移是通過Cs2SnI6的表面狀態(tài)產(chǎn)生的”。

UNIST化學(xué)系的研究生HyeonOhShin表示：“在Cs2SnI6的情況下，電荷轉(zhuǎn)移是通過Cs2SnI6的表面狀態(tài)產(chǎn)生的。這將有助于未來采用無鉛鈣鈦礦設(shè)計(jì)電子與能源器件。”

基于這一策略，研究團(tuán)隊(duì)在有機(jī)染料敏化太陽能電池（DSSCs）中采用了基于Cs2SnI6的電荷再生器，設(shè)計(jì)出了雜化太陽能電池。這種太陽能電池在氧化的有機(jī)染料回到其初始狀態(tài)的過程中產(chǎn)生電流。

論文的另一位領(lǐng)導(dǎo)作者、UNIST化學(xué)系的Byung-ManKim表示：“因?yàn)橛袡C(jī)染料的高電荷容量，在Cs2SnI6表面狀態(tài)中表現(xiàn)出高導(dǎo)電性，所以更多的電流產(chǎn)生了。相應(yīng)地，Cs2SnI6通過熱力學(xué)上有利的電荷受體水平，表現(xiàn)出高效的電荷轉(zhuǎn)移，相比于常規(guī)的液體電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了光電流密度79%的提升。”

價(jià)值

這種新型鈣鈦礦材料有著極具前景的特性，已經(jīng)被證明可起到染料敏化太陽能電池中的電荷再生器的作用，從而提升整體效率和穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究成果將為無鉛鈣鈦礦在太陽能電池中的應(yīng)用開啟新的可能性。

在研究人員中，這項(xiàng)研究引起了相當(dāng)多的關(guān)注，因?yàn)樗鼨z查了Cs2SnI6的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，從而搞清楚了Cs2SnI6表面狀態(tài)的機(jī)理。他們的成果表明，在氧化還原介質(zhì)出現(xiàn)的情況下，Cs2SnI6的表面狀態(tài)是電荷轉(zhuǎn)移的主要途徑，并且在未來基于Cs2SnI6的器件設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)應(yīng)該被考慮到。