當今時代，由于化石燃料的使用所造成的環境問題日益加劇，清潔環保的太陽能引起了人們的廣泛關注。太陽能電池是對太陽能直接利用的方式之一，也是助力我國“雙碳”目标早日達成的重要途徑。近年來，有機無機雜化鈣钛礦太陽能電池吸引了國内外課題組的廣泛關注，其效率也不斷攀升，最新的認證效率已經超過26%，可以跟傳統矽基太陽能電池媲美。但是這類電池目前存在的問題主要是光伏材料本身含鉛所帶來的環境問題，嚴重制約其大規模商業化應用。

傳統鉛基鈣钛礦材料的分子式為APbX₃。如果用一個一價金屬離子和一個三價金屬離子來代替兩個鉛離子，即可形成分子式為A₂M⁺M³⁺X₆的雙鈣钛礦。針對鉛基鈣钛礦所面臨的毒性問題，beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室有機光電團隊曲波副教授，王樹峰副教授，陳志堅教授和肖立新教授等于2017年首次制備出了基于非鉛雙鈣钛礦Cs₂AgBiBr₆的高質量薄膜及其太陽能電池（圖1A,Adv. Sci.2018, 5, 1700759），并繼而利用該非鉛雙鈣钛礦材料制備了可見光平均透過率高達73%的半透明太陽能電池（圖1B,Sol. RRL2020, 4, 2000056）。

圖1 非鉛雙鈣钛礦Cs₂AgBiBr₆的光伏應用。

然而，非鉛雙鈣钛礦Cs₂AgBiBr₆相對較大的帶隙(~2.0 eV)阻礙了其在更長波段的可見光及近紅外區域的光電應用。有機光電團隊通過深能級痕量摻雜（～1%）鐵元素(圖1C,Adv. Funct. Mater.2021, 32，2109891)和钌元素(圖1D,Mater. Adv.2022, 3, 4932)取代Cs₂AgBiBr₆中的部分Bi元素，将其吸收範圍拓寬至近紅外光區域（1200-1350 nm），由此制備的單晶材料具有優異的近紅外光探測性能。鑒于在非鉛雙鈣钛礦能帶調控方面的工作積累，團隊受邀撰寫了綜述文章（圖1E,J. Phys. Chem. Lett.2023, 14, 5310）。

目前，非鉛鈣钛礦的光伏性能仍然達不到理論預期。團隊通過總結不同非鉛鈣钛礦存在的問題（Mater. Today Energy2018, 8, 157;Adv. Energy Mater.2019, 1902496），發現這些限制主要源于非鉛鈣钛礦的低結構維度或低電子維度特性所導緻的低載流子傳輸和自陷效應，以及由此加劇的非輻射複合。針對非鉛鈣钛礦光伏發展的瓶頸問題，團隊認為可以通過調控結構維度或者電子維度來突破非鉛鈣钛礦光伏應用的瓶頸（圖2），并提出如下具體解決方案：

1）通過設計功能化的間隔陽離子，獲得具有更好化學本征穩定性的低維結構的錫基鈣钛礦，構建低維/三維(LD/3D)結構是同時提高錫基鈣钛礦光伏效率和穩定性的可行方法；

2）通過共轭基團等打破體相雙鈣钛礦中載流子不導通的八面體的獨立性，提升其電子維度，并将其由間接帶隙轉變為直接帶隙，是改善雙鈣钛礦光伏效率的有效途徑；

3）對于缺陷結構的非鉛鈣钛礦材料（A₃B₂X₉等），通過晶格元素摻雜改變其結構維度或晶格間隙摻雜提升其電子維度是有望打破載流子提取瓶頸的另一種途徑。

近期，相關研究結果受邀以“通過維度調控突破非鉛鈣钛礦太陽能電池的瓶頸”（Breaking the bottleneck of lead-free perovskite solar cells through dimensionality modulation）為題并作為封面文章發表于《英國皇家化學學會評論》（Chemical Society Reviews,2024,53,1769-1788).

圖2 維度調控突破非鉛鈣钛礦光伏應用瓶頸（封面）。

beat365官方网站2018級博士生俞文錦、2019級博士生鄒瑜及2021級博士生王涵韬為共同第一作者，河北工業大學吳存存副教授，beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室有機光電團隊曲波副教授和肖立新教授為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金以及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室的資助。

原文鍊接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cs/d3cs00728f