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2022年第89期

材制学部隋曼龄教授、卢岳团队在无机无铅Cs₂AgBiBr₆太阳能电池方面取得突破

近期，太阳集团城网2018隋曼龄教授和卢岳副研究员与北京计算科学研究中心魏苏淮教授合作在国际权威期刊Nature Communications上在线发表了最新研究成果“Hydrogenated Cs₂AgBiBr₆ for Significantly Improved Efficiency of Lead-Free Inorganic Double Perovskite Solar Cell”。北京工业大学为该文的第一完成单位，博士研究生张泽宇为本论文的第一作者，该研究得到了国家自然科学基金项目、北京市属高校高水平创新团队建设项目、国家重点研发计划的资助。

为了解决有机无机杂化铅基钙钛矿太阳能电池的毒性和稳定性问题，研究开发无机无铅钙钛矿太阳能电池具有重要意义。近年来，尽管无机无铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆材料备受关注，但是由于Cs₂AgBiBr₆为间接半导体，且带隙较宽，其光吸收能力受到很大限制，光电转换效率通常低于4.23%。因此，如何降低Cs₂AgBiBr₆材料带隙、进而提高无机无铅钙钛矿太阳能电池的光电转换效率是当前亟需解决的科学问题之一。鉴于此，隋曼龄教授和卢岳副研究员团队创造性地使用氢化处理Cs₂AgBiBr₆材料的方法，成功地将Cs₂AgBiBr₆材料的带隙由初始的2.18 eV降低到1.64 eV；进而采用氢化Cs₂AgBiBr₆钙钛矿材料作为太阳能电池吸光层，光电转换效率由初始的0.55%提高到6.37%，获得了目前Cs₂AgBiBr₆钙钛矿体系太阳能电池的最高效率，并且具有良好的环境稳定性。进一步结合XRD、TEM、XPS等实验分析表征和DFT理论计算结果研究证实：在氢化处理后，氢原子掺杂在Cs₂AgBiBr₆晶格的间隙位置；间隙位氢原子与Cs₂AgBiBr₆晶格中阴、阳离子的耦合作用导致Cs₂AgBiBr₆材料在提升了导带底位置的同时，还在价带顶上方形成了一个满占据态的新能级，这是氢化Cs₂AgBiBr₆钙钛矿材料带隙降低的原因。采用氢化处理方法实现的Cs₂AgBiBr₆钙钛矿材料氢原子间隙掺杂，不仅可以调整其价带和导带能级，还可以优化载流子迁移率和载流子寿命，为制造高性能无铅无机钙钛矿太阳能电池提供了一种全新的策略。