《ACS Energy Letters》：锡合金卤化物钙钛矿的迷人性质！

锡合金卤化物钙钛矿正逐渐变得越来越受欢迎，因为它们的光电性能开始缓慢地与潜在危险的纯铅钙钛矿相匹敌。然而，要将这种极具吸引力的半导体推向现实应用，需要解决几个主要问题。

来自荷兰格罗宁根大学的研究人员，从描述锡合金卤化物钙钛矿的基本性质开始，继续讨论其弱点，特别注意结构和电子不稳定性，并总结检查上述性质对器件的影响。最后，作者提出了一个可行的路线图，以进一步推动锡合金卤化物钙钛矿器件的实际应用。相关论文以题目为“The Fascinating Properties of Tin-Alloyed Halide Perovskites”发表在ACS Energy Letters期刊上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00289?ref=pdf

金属卤化物钙钛矿已成为发展前沿多功能器件，特别是具有光电功能的半导体的一大类。尽管对高级设备的需求激增，但有应用意识的科学家和工程师呼吁减少甚至消除钙钛矿晶格中的关键金属铅（Pb），因为世界各地都有关于在工业产品中使用有毒元素的规定。铅对人类和生态系统的实际影响引起了社会的广泛关注。最近的一项研究比较了来自金属卤化物钙钛矿的铅和锡通过植物渗入食物链的能力。如图1a所示，生长在铅钙钛矿污染土壤（250 mg kg）中的薄荷植物对铅的吸收比生长在自然土壤中的植物高几个数量级。此外，铅的集体吸收能力随着铅浓度的增加而增加（图1b）。相比之下，锡（Sn）具有支持类似晶格结构的能力，因为它与铅是同一化学基团的成员，即使在高浓度下也比铅更环保（图1b）。因此，锡钙钛矿被认为对环境和人类健康更安全。

图1。（a）在天然土壤和250 mg kg⁻¹ Pb 2+钙钛矿污染土壤上生长的薄荷植物照片。右边的表格给出了相应位置测得的Pb2+含量。（b）金属（Pb/Sn）吸收能力是添加金属量的函数。（c）使用不同半导体的单结太阳能电池的环境影响指标，通过硅电池的相关参数进行归一化。

由于这些原因，Sn基钙钛矿最近因其基本性质和器件应用引起了人们的极大兴趣。特别是，使用Sn基钙钛矿的光伏器件的效率逐渐增长，最近产生的值超过10%。尽管对Sn基钙钛矿的研究似乎正在蓬勃发展，但Sn 2+容易氧化为Sn 4+显然会破坏钙钛矿晶格的稳定性。更重要的是，锡空位在结晶过程中自然形成或由于氧化的Sn4+，导致材料的强p型自掺杂，当使用p-i-n或n-i-p结构时，对器件性能产生重大影响。然而，锡与其他金属的合金化提供了意想不到的机会。令人鼓舞的是，Sn和Pb钙钛矿合金不仅提高了器件效率（相对于纯Sn钙钛矿），而且提高了带隙可调性以及结构和环境稳定性。最近的一项研究指出，在不同的光伏半导体中，SnPb钙钛矿对环境的影响最小（图1c）。SnPb钙钛矿的所有优点表明，SnPb钙钛矿在金属卤化物钙钛矿光电器件的未来具有重要地位。此外，在锡中观察到一种特殊的增强稳定性−锗（SnGe）合金钙钛矿。在本研究中，我们将首先讨论Sn合金钙钛矿的本征性质和稳定性的起源和依赖性，然后提出下一步提高此类半导体性能的措施。

图2。（a）SnPb合金钙钛矿的能带结构示意图。（b）带隙演化分别取决于SnPb和SnGe合金钙钛矿中的Sn含量。MASnPbI3钙钛矿中的弯曲参数约为0.44 eV，MASnGeI3钙钛矿中的线性参数约为0.60 eV。

图3。（a）采用不同带隙SnPb合金钙钛矿的单结和双端串联太阳能电池的功率转换效率（PCE）研究进展。（b）用于单晶薄膜的光刻辅助外延生长和转移方法的示意图。（c）掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图案。

作者希望这一综述不仅强调了锡合金卤化物钙钛矿的关键演变，也激励研究界进一步研究这一迷人的系统，以加深作者目前的理解并推进用它们制造的器件。（文：爱新觉罗星）