新型太陽能電池：採用無鉛鈣鈦礦材料！

導讀

韓國蔚山國立科技研究所領導的一項研究，採用無鉛鈣鈦礦，朝著新一代「無毒高效」的太陽能電池邁出了重要的一步。

背景

近年來，隨著鉛基鈣鈦礦在低成本、高效率的太陽能電池中應用，這種極具前景的材料獲得了許多關注。然而，鉛所固有的不穩定性與毒性，引起了人們對於鉛基鈣鈦礦的可行性的嚴重憂慮，阻礙了基於這些材料的太陽能電池以及類似器件的大規模商用。

近期，針對鉛基鈣鈦礦的毒性，無鉛鈣鈦礦作為一種替代方案被提出，可是目前由於其效率較低，所以目前用處不大。

創新

韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）自然科學院教授 Tae-Hyuk Kwon 領導的一項研究，採用無鉛鈣鈦礦，朝著新一代太陽能電池邁出了重要的一步。

韓國光州科學技術院（GIST）教授 Yoonsoo Pang 及其團隊也參與了這項研究。2018年11月份，他們的研究成果發表在材料科學領域高度知名的期刊《先進能源材料（Advanced Energy Materials）》上。

下圖所示：從左到右依次是 UNIST 自然科學院的 Kwang Min Kim、Byung‐Man Kim、HyeonOh Shin 以及 Tae‐Hyuk Kwon 教授。

（圖片來源：UNIST ）

技術

在各種替代鉛的方案中，研究團隊採用了「空位有序」的雙鈣鈦礦（Cs2SnI6）。雖然 Cs2SnI6 的前景被看好，但是它的表面狀態及機理在很大程度上仍然是不清楚的。因此，為了未來設計基於 Cs2SnI6 的器件，科學家們很有必要進行綜合研究以澄清 Cs2SnI6 的這些特性。

通過這項研究，團隊仔細觀察了 Cs2SnI6 的電荷轉移機制，目的在於搞清楚其表面狀態的機理。為了這個目標，團隊開發了「三電極系統」來觀測通過 Cs2SnI6 表面狀態產生的電荷轉移。他們也採用了循環伏安法與莫特-肖特基方程來探索 Cs2SnI6 的表面狀態，Cs2SnI6 的電位與帶隙有關。

觀測通過 Cs2SnI6 表面狀態產生的電荷轉移的三電極系統（圖片來源：UNIST）

他們的分析表明，Cs2SnI6 表面狀態的氧化還原活性高，可以在碘化物氧化還原介質存在的情況下高效充放電。除此之外，基於 Cs2SnI6 的電荷再生器系統的製備證實了「電荷轉移是通過 Cs2SnI6 的表面狀態產生的」。

UNIST 化學系的研究生 HyeonOh Shin 表示：「在 Cs2SnI6 的情況下，電荷轉移是通過 Cs2SnI6 的表面狀態產生的。這將有助於未來採用無鉛鈣鈦礦設計電子與能源器件。」

基於這一策略，研究團隊在有機染料敏化太陽能電池（DSSCs）中採用了基於 Cs2SnI6 的電荷再生器，設計出了雜化太陽能電池。這種太陽能電池在氧化的有機染料回到其初始狀態的過程中產生電流。

（圖片來源：UNIST）

論文的另一位領導作者、UNIST 化學系的 Byung-Man Kim 表示：「因為有機染料的高電荷容量，在 Cs2SnI6 表面狀態中表現出高導電性，所以更多的電流產生了。相應地，Cs2SnI6 通過熱力學上有利的電荷受體水平，表現出高效的電荷轉移，相比於常規的液體電解質實現了光電流密度79%的提升。」

價值

這種新型鈣鈦礦材料有著極具前景的特性，已經被證明可起到染料敏化太陽能電池中的電荷再生器的作用，從而提升整體效率和穩定性。這項研究成果將為無鉛鈣鈦礦在太陽能電池中的應用開啟新的可能性。

無鉛的鈣鈦礦薄膜（左）與染料敏化的有機太陽能電池（右）（圖片來源：UNIST）

在研究人員中，這項研究引起了相當多的關注，因為它檢查了 Cs2SnI6 的電荷轉移機制，從而搞清楚了 Cs2SnI6 表面狀態的機理。他們的成果表明，在氧化還原介質出現的情況下，Cs2SnI6 的表面狀態是電荷轉移的主要途徑，並且在未來基於 Cs2SnI6 的器件設計中，這一點應該被考慮到。

關鍵字

鈣鈦礦、太陽能、材料、有機、電池

參考資料

【1】https://news.unist.ac.kr/new-class-of-solar-cells-using-lead-free-perovskite-materials/

【2】HyeonOh Shin et. al., 「Surface State‐Mediated Charge Transfer of Cs2SnI6 and Its Application in Dye‐Sensitized Solar Cells,」 Advanced Energy Materials, (2018).

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