论文标题：Prospects for low-toxicity lead-free perovskite solar cells

期刊：Nature Communications

作者：Weijun Ke, Mercouri G. Kanatzidis

发表时间：2019/02/27

数字识别码： 10.1038/s41467-019-08918-3

原文链接：http://t.cn/EScnY9h

卤化物钙钛矿材料以其突出的光电性能广泛应用于太阳能电池、探测器和发光二极管等各个领域。特别地，目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经可以与商业化的硅电池相媲美。学术界对钙钛矿太阳能电池的商业化充满期待，许多光伏企业也对钙钛矿太阳能电池进行了布局与投资。然而，钙钛矿太阳能电池想要实现最终的商业化需要克服两个主要问题，分别是稳定性和毒性。关于稳定性，理想的太阳能电池必须在外界自然环境下进行长时间的稳定工作。但是卤化物钙钛矿材料在高温、强光和水汽下易分解，导致了材料和器件的稳定性不足。研究者正在淘汰敏感的有机阳离子， 同时引入疏水的大有机阳离子或者无机阳离子，再协同优异的传输层及电极材料和封装技术来渐渐提升电池的稳定性。而关于毒性，目前高效的钙钛矿太阳能电池都不可避免的使用了重金属铅，而铅对环境的潜在污染使得寻找低毒的替代金属元素显得非常有必要。

基于此，近日美国西北大学的Mercouri G. Kanatzidis教授（通讯作者）和柯维俊博士（第一作者）对低毒的非铅基钙钛矿电池的研究现状和未来发展进行了总结和展望。一个理想的太阳能电池吸光材料，需要有窄的直接带隙、高的吸收系数、高的载流子迁移率和好的稳定性等特点。作者首先列出了一些潜在的元素去替代铅，如锡、锗、铋等。锡基钙钛矿作为头号候选者，具有低毒和与铅基钙钛矿非常相似的电学性质，甚至有更小的光学带隙，电池已取得接近10%的最高效率。可惜美中不足的是二价锡不稳定，在空气中容易被氧化成四价锡，所以制备高效稳定的锡基钙钛矿太阳能电池比铅基更加具有挑战性。另一个可能的备选是锗基钙钛矿，虽然没有锡基钙钛矿那么好的性能，但却可以和锡一起制备双金属合金型的钙钛矿材料而表现出更好的稳定性，但是锗的价格高昂问题或许会限制它的进一步应用。进一步考虑其它非铅元素，如基于铋基、锑基的缺陷型钙钛矿或者铋银基的双钙钛矿材料可以拥有更好的稳定性。但是这类材料没有理想的带隙，更关键的是因为电学性能不佳等问题会导致电池性能太低。总之，目前研究的这几类非铅基钙钛矿都不够理想，性能好的却不稳定而稳定的却性能不好。最后钙钛矿太阳能电池是否可以实现商业化还有待研究者的进一步探索研究，作者也呼吁更多的研究者能投入到相关领域来。潜在的候选者可以不仅仅局限于卤化物钙钛矿，还可以研究如氧硫族钙钛矿以及一些非钙钛矿材料，最终目标是实现高效、稳定、低毒、低成本和可大面积化的新型太阳能电池。

图1

摘要：Since the 2012 breakthroughs1,2,3, it is now very much accepted that halide perovskite solar cells may have a strong practical impact in next-generation solar cells. The most efficient solar cells are using Pb-based halide perovskites. The presence of Pb in these devices, however, has caused some concerns due to the high perceived toxicity of Pb, which may slow down or even hinder the pace of commercialization. Therefore, the science community has been searching for lower-toxicity perovskite-type materials as a back-up strategy. The community is paying significant attention to Pb-free materials and has achieved promising results albeit not yet approaching the spectacular performance of APbI3 materials. In this comment, we summarize the present status and future prospects for Pb-free perovskite materials and their devices.

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期刊介绍：Nature Communications (https://www.nature.com/ncomms/) is an open access journal that publishes high-quality research from all areas of the natural sciences. Papers published by the journal represent important advances of significance to specialists within each field.

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（来源：科学网）