锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

李淏淼 董化 李璟睿 吴朝新

引用本文: 李淏淼, 董化, 李璟睿, 吴朝新. 锡基钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(4): 200700. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007006 shu
Citation:  Li Haomiao, Dong Hua, Li Jingrui, Wu Zhaoxin. Recent Advances in Tin-Based Perovskite Solar Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(4): 200700. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007006 shu

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

    作者简介:


    吴朝新,西安交通大学教授,博士生导师; 主要从事有机光电材料与器件研究。主持国家重大基础研究计划、主持国家重点研发计划专项、主持自然科学基金面上课题以及教育部、陕西省等各项课题多项;
    通讯作者: 吴朝新, zhaoxinwu@mail.xjtu.edu.cn
摘要: 自2009年以来,有机-无机卤化物钙钛矿因其独特的光学和电学性能,在光电材料领域受到了广泛的研究,尤其是Pb基的卤化物钙钛矿太阳能电池,目前光电转换效率高达创纪录的约25.2%,显示出强大的商业化潜力。然而,Pb元素的毒性及因而导致的环境隐患问题,一直是其产业化过程中的顾虑之一。因此,寻求能替代Pb的环境友好的元素,是一个十分重要的课题。Pb基钙钛矿材料优异的光电特性来源于Pb2+的最外层6s2孤对电子,与Pb元素同主族的Sn元素能够形成三维钙钛矿结构且同样具有惰性5s2外层电子结构,因而是替代Pb的首选。本文系统地介绍了Sn基钙钛矿的光学和电学性质,并从薄膜制备方法和不同的器件结构方面介绍Sn基钙钛矿太阳能电池的最新进展。

English

    1. [1]

      Moller, C. K. Nature 1958, 182, 1436. doi: 10.1038/1821436a0

    2. [2]

      Weber, D. Z. Naturforsch. B: Chem. Sci. 1978, 33b, 1443. doi: 10.1515/znb-1978-1214

    3. [3]

      Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050. doi: 10.1021/ja809598r

    4. [4]

      Lee, B.; He, J.; Chang, R. P.; Kanatzidis, M. G. Nature 2012, 485, 486. doi: 10.1038/nature11067

    5. [5]

      Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643. doi: 10.1126/science.1228604

    6. [6]

      Kim, H. S.; Lee, C. R.; Im, J. H.; Lee, K. B.; Moehl, T.; Marchioro, A.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Yum, J. H.; Moser, J. E. Sci Rep. 2012, 2, 591. doi: 10.1038/srep00591

    7. [7]

      Zhou, H.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T. B.; Duan, H. S.; Hong, Z.; You, J.; Liu, Y.; Yang, Y. Nature 2014, 345, 542. doi: 10.1126/science.1254050

    8. [8]

      Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Nature 2013, 499, 316. doi: 10.1038/nature12340

    9. [9]

      Yang, W. S.; Noh, J. H.; Jeon, N. J.; Kim, Y. C.; Ryu, S.; Seo, J.; Seok, S. I. Science 2015, 348, 1234. doi: 10.1126/science.aaa9272

    10. [10]

      Abrusci, A.; Stranks, S. D.; Docampo, P.; Yip, H. L.; Jen, A. K. Y.; Snaith, H. J. Nano Lett. 2013, 13, 3124. doi: 10.1021/nl401044q

    11. [11]

      Chen, W.; Wu, Y.; Yue, Y.; Liu, J.; Zhang, W.; Yang, X.; Chen, H.; Bi, E.; Ashraful, I.; Grätzel, M.; Han, L. Science 2015, 350, 944. doi: 10.1126/science.aad1015

    12. [12]

      Liu, M.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J. Nature 2013, 501, 395. doi: 10.1038/nature12509

    13. [13]

      Li, X.; Bi, D.; Yi, C.; Décoppet, J. D.; Luo, J.; Zakeeruddin, S. M.; Hagfeldt, A.; Grätzel, M. Science 2016, 353, 58. doi: 10.1126/science.aaf8060

    14. [14]

      Correa-Baena, J. P.; Saliba, M.; Buonassisi, T.; Grätzel, M.; Abate, A.; Tress, W.; Hagfeldt, A. Science 2017, 358, 739. doi: 10.1126/science.aam6323

    15. [15]

      Yin, W. J.; Shi, T.; Yan, Y. Adv. Mater. 2014, 26, 4653. doi: 10.1002/adma.201306281

    16. [16]

      Shockley, W.; Queisser, H. J.; J. Appl. Phys. 1961, 32, 510. doi: 10.1063/1.1736034

    17. [17]

      Saparov, B.; Sun, J. P.; Meng, W.; Xiao, Z.; Duan, H. S.; Gunawan, O.; Shin, D.; Hill, I. G.; Yan, Y.; Mitzi, D. B. Chem. Mater. 2016, 28, 2315. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00433

    18. [18]

      Mitzi, D. B. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2001, 1, 1. doi: 10.1039/B007070J

    19. [19]

      Scaife, D. E.; Weller, P. F.; Fisher, W. G. J. Solid State Chem. 1974, 9, 308. doi: 10.1016/0022-4596(74)90088-7

    20. [20]

      Parry, D. E.; Tricker, M. J.; Donaldson, J. D. J. Solid State Chem. 1979, 28, 401. doi: 10.1016/0022-4596(79)90092-6

    21. [21]

      Clark, S. J.; Flint, C. D.; Donaldson, J. D. J. Phys. Chem. Solids. 1981, 42, 133. doi: 10.1016/0022-3697(81)90072-X

    22. [22]

      Yamada, K.; Nose, S.; Umehara, T.; Okuda, T.; Ichiba, S. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1988, 61, 4265. doi: 10.1246/bcsj.61.4265

    23. [23]

      Yamada, K.; Matsui, T.; Tsuritani, T.; Okuda, T.; Ichiba, S. Z. Naturforsch. A: Phys. Sci. 1990, 45a, 307. doi: 10.1515/zna-1990-3-416

    24. [24]

      Yamada, K.; Kuranaga, Y.; Ueda, K.; Goto, S.; Okuda, T.; Furukawa, Y. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1998, 71, 127. doi: 10.1246/bcsj.71.127

    25. [25]

      Mitzi, D. B.; Feild, C.; Harrison, W.; Guloy, A. Nature 1994, 369, 467. doi: 10.1038/369467a0

    26. [26]

      Mitzi, D.; Wang, S.; Feild, C.; Chess, C.; Guloy, A. Science 1995, 267, 1473. doi: 10.1126/science.267.5203.1473

    27. [27]

      Mitzi, D. B.; Dimitrakopoulos, C. D.; Kosbar, L. L. Chem. Mater. 2001, 13, 3728. doi: 10.1021/cm010105g

    28. [28]

      Chen, Z.; Wang, J. J.; Ren, Y.; Yu, C.; Shum, K. Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 093901. doi: 10.1063/1.4748888

    29. [29]

      Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Cao, D. H.; Chang, R. P.; Kanatzidis, M. G. Nat. Photonics 2014, 8, 489. doi: 10.1038/nphoton.2014.82

    30. [30]

      Lee, S. J.; Shin, S. S.; Kim, Y. C.; Kim, D.; Ahn, T. K.; Noh, J. H.; Seo, J.; Seok, S. I. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3974. doi: 10.1021/jacs.6b00142

    31. [31]

      Liao, W.; Zhao, D.; Yu, Y.; Grice, C. R.; Wang, C.; Cimaroli, A. J.; Schulz, P.; Meng, W.; Zhu, K.; Xiong, R. G. Adv. Mater. 2016, 28, 9333. doi: 10.1002/adma.201602992

    32. [32]

      Cao, D. H.; Stoumpos, C. C.; Yokoyama, T.; Logsdon, J. L.; Song, T. B.; Farha, O. K.; Wasielewski, M. R.; Hupp, J. T.; Kanatzidis, M. G. ACS Energy Lett. 2017, 2, 982. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00202

    33. [33]

      Ke, W.; Stoumpos, C. C.; Spanopoulos, I.; Mao, L.; Chen, M.; Wasielewski, M. R.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14800. doi: 10.1021/jacs.7b09018

    34. [34]

      Jiang, X.; Wang, F.; Wei, Q.; Li, H.; Shang, Y.; Zhou, W.; Wang, C.; Cheng, P.; Chen, Q.; Chen, L.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 1. doi: 10.1038/s41467-020-15078-2

    35. [35]

      Ran, C.; Gao, W.; Li, J.; Xi, J.; Li, L.; Dai, J.; Yang, Y.; Gao, X.; Dong, H.; Jiao, B.; et al. Joule 2019, 3, 3072. doi: 10.1016/j.joule.2019.08.023

    36. [36]

      Stoumpos, C. C.; Malliakas, C. D.; Kanatzidis, M. G. Inorg. Chem. 2013, 52, 9019. doi: 10.1021/ic401215x

    37. [37]

      Hasegawa, H.; Kobayashi, K.; Takahashi, Y.; Harada, J.; Inabe, T. J. Phys. Chem. C 2017, 5, 4048. doi: 10.1039/C7TC00446J

    38. [38]

      Zhang, M.; Lyu, M.; Yun, J. H.; Noori, M.; Zhou, X.; Cooling, N. A.; Wang, Q.; Yu, H.; Dastoor, P. C.; Wang, L. Nano Res. 2016, 9, 1570. doi: 10.1007/s12274-016-1051-8

    39. [39]

      Dang, Y.; Zhou, Y.; Liu, X.; Ju, D.; Xia, S.; Xia, H.; Tao, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3447. doi: 10.1002/anie.201511792

    40. [40]

      Koh, T. M.; Krishnamoorthy, T.; Yantara, N.; Shi, C.; Leong, W. L.; Boix, P. P.; Grimsdale, A. C.; Mhaisalkar, S. G.; Mathews, N. Mathews, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 14996. doi: 10.1039/C5TA00190K

    41. [41]

      Wang, F.; Ma, J.; Xie, F.; Li, L.; Chen, J.; Fan, J.; Zhao, N. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 3417. doi: 10.1002/adfm.201505127

    42. [42]

      Maughan, A. E.; Ganose, A. M.; Candia, A. M.; Granger, J. T.; Scanlon, D. O.; Neilson, J. R. Chem. Mater. 2018, 30, 472. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b04516

    43. [43]

      Shi, T.; Zhang, H. S.; Meng, W.; Teng, Q.; Liu, M.; Yang, X.; Yan, Y.; Yip, H. L.; Zhao, Y. J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 15124. doi: 10.1039/C7TA02662E

    44. [44]

      Jokar, E.; Chien, C. H.; Tsai, C. M.; Fathi, A.; Diau, E. W. G. Adv. Mater. 2019, 31 (2), 1804835. doi: 10.1002/adma.201804835

    45. [45]

      李晓茵, 周传聪, 王英华, 丁菲菲, 周华伟, 张宪玺.化学进展, 2019, 31 (6), 882. doi: 10.7536/PC181103Li, X. Y.; Zhou, C. C.; Wang, Y. H.; Ding, F. F.; Zhou, H. W.; Zhang, X. X. Prog. Chem. 2019, 31 (6), 882. doi: 10.7536/PC181103

    46. [46]

      Liu, C.; Tu, J.; Hu, X.; Huang, Z.; Meng, X.; Yang, J.; Duan, X.; Tan, L.; Li, Z.; Chen, Y. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (18), 1808059. doi: 10.1002/adfm.201808059

    47. [47]

      Liu, X.; Yan, K.; Tan, D.; Liang, X.; Zhang, H.; Huang, W. Acs Energy Lett. 2018, 3 (11), 2701. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01588

    48. [48]

      Shao, S.; Liu, J.; Portale, G.; Fang, H. H.; Blake, G. R.; ten Brink, G. H.; Koster, L. J. A.; Loi, M. A. Adv. Energy Mater. 2018, 8 (4), 1702019. doi: 10.1002/aenm.201702019

    49. [49]

      Shao, S.; Dong, J.; Duim, H.; Gert, H.; Blake, G. R.; Portale, G.; Loi, M. A. Nano Energy 2019, 60, 810. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.040

    50. [50]

      Song, T. B.; Yokoyama, T.; Aramaki, S.; Kanatzidis, M. G. Acs Energy Lett. 2017, 2 (4), 897. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00171

    51. [51]

      Stranks, S. D.; Nayak, P. K.; Zhang, W.; Stergiopoulos, T.; Snaith, H. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3240. doi: 10.1002/anie.201410214

    52. [52]

      He, M.; Zheng, D.; Wang, M.; Lin, C.; Lin, Z. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 5994. doi: 10.1039/C3TA14160H

    53. [53]

      Ke, W.; Fang, G.; Wan, J.; Tao, H.; Liu, Q.; Xiong, L.; Qin, P.; Wang, J.; Lei, H.; Yang, G.; et al. Nat. Commun. 2015, 6, 6700. doi: 10.1038/ncomms7700

    54. [54]

      Ke, W.; Fang, G.; Wang, J.; Qin, P.; Tao, H.; Lei, H.; Liu, Q.; Dai, X.; Zhao, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 15959. doi: 10.1021/am503728d

    55. [55]

      Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Kim, Y. C.; Yang, W. S.; Ryu, S.; Seok, S. I. Nat. Mater. 2014, 13, 897. doi: 10.1038/nmat4014

    56. [56]

      Yokoyama, T.; Cao, D. H.; Stoumpos, C. C.; Song, T. B.; Sato, Y.; Aramaki, S.; Kanatzidis, M. G. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 776. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00118

    57. [57]

      Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Guo, P.; Zhou, N.; Marks, T. J.; Chang, R. P.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11445. doi: 10.1021/jacs.5b06658

    58. [58]

      Liao, W.; Zhao, D.; Yu, Y.; Grice, C. R.; Wang, C.; Cimaroli, A. J.; Schulz, P.; Meng, W.; Zhu, K.; Xiong, R. G.; Yan, Y. Adv. Mater. 2016, 28, 9333. doi: 10.1021/jacs.5b06658

    59. [59]

      Ke, W.; Zhao, D.; Grice, C. R.; Cimaroli, A. J.; Fang, G.; Yan, Y. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 23888. doi: 10.1039/C5TA07829F

    60. [60]

      Kumar, M. H.; Dharani, S.; Leong, W. L.; Boix, P. P.; Prabhakar, R. R.; Baikie, T.; Shi, C.; Ding, H.; Ramesh, R.; Asta, M.; et al. Adv. Mater. 2014, 26, 7122. doi: 10.1002/adma.201401991

    61. [61]

      Lee, S. J.; Shin, S. S.; Kim, Y. C.; Kim, D.; Ahn, T. K.; Noh, J. H.; Seo, J.; Seok, S. I. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3974. doi: 10.1021/jacs.6b00142

    62. [62]

      Gupta, S.; Bendikov, T.; Hodes, G.; Cahen, D. ACS Energy Lett. 2016, 1, 1028. doi: 10.1021/acsenergylett.6b00402

    63. [63]

      Zhu, Z.; Chueh, C. C.; Li, N.; Mao, C.; Jen, A. K. Adv. Mater. 2017, 30, 1703800. doi: 10.1002/adma.201703800

    64. [64]

      Noel, N. K.; Stranks, S. D.; Abate, A.; Wehrenfennig, C.; Guarnera, S.; Haghighirad, A. A.; Sadhanala, A.; Eperon, G. E.; Pathak, S. K.; Johnston, M. B.; et al. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3061. doi: 10.1039/C4EE01076K

    65. [65]

      Mei, A.; Li, X.; Liu, L.; Ku, Z.; Liu, T.; Rong, Y.; Xu, M.; Hu, M.; Chen, J.; Yang, Y.; et al. Science 2014, 345, 295. doi: 10.1126/science.1254763

    66. [66]

      Li, W.; Li, J.; Li, J.; Fan, J.; Mai, Y.; Wang, L. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17104. doi: 10.1039/C6TA08332C

    67. [67]

      Correa-Baena, J. P.; Abate, A.; Saliba, M.; Tress, W.; JesperJacobsson, T.; Grätzel, M.; Hagfeldt, A. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 710. doi: 10.1039/C6EE03397K

    68. [68]

      Yan, W.; Ye, S.; Li, Y.; Sun, W.; Rao, H.; Liu, Z.; Bian, Z.; Huang, C. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600474. doi: 10.1002/aenm.201600474

    69. [69]

      Wang, N.; Zhou, Y.; Ju, M. G.; Garces, H. F.; Ding, T.; Pang, S.; Zeng, X. C.; Padture, N. P.; Sun, X. W. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1601130. doi: 10.1002/aenm.201601130

    70. [70]

      Liao, W.; Zhao, D.; Yu, Y.; Grice, C. R.; Wang, C.; Cimaroli, A. J.; Schulz, P.; Meng, W.; Zhu, K.; Xiong, R. G.; Yan, Y. Adv. Mater. 2016, 28, 9333. doi: 10.1002/adma.201602992

    71. [71]

      Jiang, X.; Wang, F.; Wei, Q.; Li, H.; Shang, Y.; Zhou, W.; Wang, C.; Cheng, P.; Chen, Q.; Chen, L.; et al. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 1. doi: 10.1038/s41467-020-15078-2

    72. [72]

      Chen, S.; Hou, Y.; Chen, H.; Richter, M.; Guo, F.; Kahmann, S.; Tang, X.; Stubhan, T.; Zhang, H.; Li, N.; et al. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600132. doi: 10.1002/aenm.201600132

    73. [73]

      Marshall, K. P.; Walker, M.; Walton, R. I.; Hatton, R. A. Nat. Energy 2016, 1, 16178. doi: 10.1038/nenergy.2016.178

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  21
  • 文章访问数:  882
  • HTML全文浏览量:  200
文章相关
  • 发布日期:  2021-04-15
  • 收稿日期:  2020-07-02
  • 接受日期:  2020-08-03
  • 修回日期:  2020-07-31
  • 网络出版日期:  2020-08-07
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章