在过去十年中，金属卤化物钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells）由于钙钛矿吸收层材料优异的光电性能，因此在光伏领域显示出及其优秀的潜力，其功率转换效率从3.8%大幅跃升至25.5%。虽然铅卤钙钛矿太阳能电池的高效率已经与商业化的晶硅太阳能电池相当，但铅的存在是阻碍钙钛矿电池发展与最终应用的一个紧迫问题。此类铅化合物均为水溶性，在环境中呈自由态，容易被植物吸收而进入食物链，从而影响生物的生命健康，对生态环境的生态危害较大。
锡（Sn）作为第14族同系物的一员，相比于铅拥有较低的毒性，且具有与铅相当的性质。因此，低毒性的无铅钙钛矿型光吸收层材料近年来受到了广泛关注。锡基钙钛矿具有直接带隙且带隙宽度较窄（1.2–1.4 eV），非常接近AM 1.5太阳光谱下单结太阳能电池的Shockley-Queisser limit的最佳带隙1.34 eV。锡基钙钛矿还具有激子结合能低、电荷载流子迁移率优异等特点。据报道，目前锡基钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已超过14%，且具有较为优异的器件稳定性，这使其成为一种非常有希望替代铅基钙钛矿太阳能电池的光伏器件。
近年来，混合锡-铅钙钛矿太阳能电池也引起了光伏领域的广泛研究。与纯锡基钙钛矿相比，混合锡−铅钙钛矿具有更加优异的光伏性能和稳定性，其单结电池的最优效率高达21.7%。混合锡−铅钙钛矿的可调节带隙范围更宽，因此十分适用于制备全钙钛矿叠层太阳能电池。根据Shockley-Queisser limit，具有单带隙的吸收层的太阳能电池不能吸收能量小于其带隙的入射光子，也不能利用带隙之外的高能光子的额外能量。但具有两个或多个不同带隙的子电池的堆叠或串联而成的叠层太阳能电池（tandem solar cell）却可以突破单结太阳能电池的Shockley-Queisser limit。在叠层器件中，顶部电池的带隙最宽，每个后续电池的带隙都比前一个窄。因此，高能光子被顶部子电池吸收，而低能光子可能被具有较低带隙的后续电池透射和吸收。这个过程使我们能够最大程度地将光子能量转换为电能，从而大大提高了太阳光谱的利用率。因此，混合锡-铅钙钛矿太阳能电池对于钙钛矿基叠层太阳能电池的发展有着及其重要的意义。
虽然锡基钙钛矿太阳能电池和混合锡-铅钙钛矿太阳能电池在短时间内取得了卓越的进展，但其效率仍低于铅基钙钛矿太阳能电池，这主要与Sn（II）诱导的独特电子结构和严重的氧化有关。对于锡基与混合锡-铅钙钛矿钙钛矿电池来说，短路电流密度通常较高，而平均开路电压较低，这是Sn2+状态不稳定的直接结果，其容易导致对光伏性能有害的自掺杂和加剧的电荷聚集。锡基钙钛矿材料的制备和储存过程中，可能存在的一些问题（如环境氧含量升高）会导致钙钛矿晶体结构内部和表面的不可逆缺陷态，其多为深能级缺陷，进而导致严重的非辐射载流子复合，使得光伏器件的光电转化效率严重衰减。
另一方面，锡基与混合锡-铅钙钛矿的结晶过程非常快，这往往使得钙钛矿晶体结构形成的可控性较低。可控性低的结晶过程可以从两个方面进行解释：首先，SnI2和FAI/MAI的反应速度比PbI2快得多，这是由于Sn2+与Pb2+相比具有更大的路易斯酸度。与铅基钙钛矿在退火过程中的缓慢结晶过程相比，锡基与混合锡-铅钙钛矿的结晶过程是快速且不可控的，这会导致形成的不均匀且有缺陷的钙钛矿薄膜。因此，结晶过程的精准调控有助于形成质量更佳的锡基和混合锡-铅钙钛矿薄膜。第二，与铅基钙钛矿相比，锡基钙钛矿的热力学生长条件更加复杂和严格，锡基钙钛矿需要精确控制晶体生长，以排除合成过程中SnI2、SnI4、FAI和FA2SnI6的第二相的生成。
因此，开发不同的策略来抑制Sn2+向Sn4+的氧化过程以及控制锡基与混合锡-铅钙钛矿薄膜的结晶过程以制备高性能的锡基与混合锡-铅钙钛矿太阳能电池，提升器件效率与稳定性，同时深入挖掘锡基与混合锡-铅钙钛矿太阳能电池中特有的机理与尚未解决的问题是目前研究的主流方向。
综上，本课题组的研究方向主要集中于以下几点：
1. 纯锡基钙钛矿太阳能电池
2. 锡铅混合钙钛矿太阳能电池
3. 钙钛矿基叠层太阳能电池
编辑：张志皓