新型太阳能电池：采用无铅钙钛矿材料！

背景

近年来，随着铅基钙钛矿在低成本、高效率的太阳能电池中应用，这种极具前景的材料获得了许多关注。然而，铅所固有的不稳定性与毒性，引起了人们对于铅基钙钛矿的可行性的严重忧虑，阻碍了基于这些材料的太阳能电池以及类似器件的大规模商用。

近期，针对铅基钙钛矿的毒性，无铅钙钛矿作为一种替代方案被提出，可是目前由于其效率较低，所以目前用处不大。

创新

韩国蔚山国立科技研究所（UNIST）自然科学院教授Tae-HyukKwon领导的一项研究，采用无铅钙钛矿，朝着新一代太阳能电池迈出了重要的一步。

韩国光州科学技术院（GIST）教授YoonsooPang及其团队也参与了这项研究。2018年11月份，他们的研究成果发表在材料科学领域高度知名的期刊《先进能源材料（AdvancedEnergyMaterials）》上。

下图所示：从左到右依次是UNIST自然科学院的KwangMinKim、ByungManKim、HyeonOhShin以及TaeHyukKwon教授。

技术

在各种替代铅的方案中，研究团队采用了“空位有序”的双钙钛矿（Cs2SnI6）。虽然Cs2SnI6的前景被看好，但是它的表面状态及机理在很大程度上仍然是不清楚的。因此，为了未来设计基于Cs2SnI6的器件，科学家们很有必要进行综合研究以澄清Cs2SnI6的这些特性。

通过这项研究，团队仔细观察了Cs2SnI6的电荷转移机制，目的在于搞清楚其表面状态的机理。为了这个目标，团队开发了“三电极系统”来观测通过Cs2SnI6表面状态产生的电荷转移。他们也采用了循环伏安法与莫特-肖特基方程来探索Cs2SnI6的表面状态，Cs2SnI6的电位与带隙有关。

观测通过Cs2SnI6表面状态产生的电荷转移的三电极系统（图片来源：UNIST）

他们的分析表明，Cs2SnI6表面状态的氧化还原活性高，可以在碘化物氧化还原介质存在的情况下高效充放电。除此之外，基于Cs2SnI6的电荷再生器系统的制备证实了“电荷转移是通过Cs2SnI6的表面状态产生的”。

UNIST化学系的研究生HyeonOhShin表示：“在Cs2SnI6的情况下，电荷转移是通过Cs2SnI6的表面状态产生的。这将有助于未来采用无铅钙钛矿设计电子与能源器件。”

基于这一策略，研究团队在有机染料敏化太阳能电池（DSSCs）中采用了基于Cs2SnI6的电荷再生器，设计出了杂化太阳能电池。这种太阳能电池在氧化的有机染料回到其初始状态的过程中产生电流。

论文的另一位领导作者、UNIST化学系的Byung-ManKim表示：“因为有机染料的高电荷容量，在Cs2SnI6表面状态中表现出高导电性，所以更多的电流产生了。相应地，Cs2SnI6通过热力学上有利的电荷受体水平，表现出高效的电荷转移，相比于常规的液体电解质实现了光电流密度79%的提升。”

价值

这种新型钙钛矿材料有着极具前景的特性，已经被证明可起到染料敏化太阳能电池中的电荷再生器的作用，从而提升整体效率和稳定性。这项研究成果将为无铅钙钛矿在太阳能电池中的应用开启新的可能性。

在研究人员中，这项研究引起了相当多的关注，因为它检查了Cs2SnI6的电荷转移机制，从而搞清楚了Cs2SnI6表面状态的机理。他们的成果表明，在氧化还原介质出现的情况下，Cs2SnI6的表面状态是电荷转移的主要途径，并且在未来基于Cs2SnI6的器件设计中，这一点应该被考虑到。