太阳能被认为是最有潜力的可再生能源,随着人们对于太阳能的不断研究和理解,太阳能电池也得到了相应的发展,从最早的硅电池,到多元化合物薄膜电池,再到最新的第三代太阳能电池,可以说在这一领域众星闪耀。在其中,金属卤素型钙钛矿材料是一种新一代的半导体材料,有着很多独特的光电性质,包括可调节的带隙,宽的吸收光谱,高的载流子迁移率以及足够长的扩散距离等。因此,世界各地的科研小组纷纷开始研究钙钛矿材料在光伏和光电领域的应用。基于CH3NH3PbI3材料的钙钛矿太阳能电池,其光电转换效率在短短的几年里从最初的3.8%跃升到了 20%以上,被视为最具有发展前景的太阳能电池。然而这种ABX3结构的材料,基本都是将有毒重金属元素铅作为核心元素,虽然有着高转换效率的优势,然而在当今越来越注重环境保护的主题下,找寻替代元素成了一种势在必行的趋势。我们一方面致力于用同族的锡元素来取代铅,创造性的发明了一种制备高质量锡基钙钛矿的方法,运用溶解退火辅助的热蒸发方法。首先通过热蒸发的方法将Snl2和CH3NH3I分别蒸发到衬底之上,形成双层薄膜,此时控制反应温度减少反应进行。接着让双层薄膜接触溶剂气氛,在一定温度下发生旧键的断裂和新键的生成,形成八面体结构,最后钙钛矿晶体生成。在这个过程中必须要注意保持退火温度和溶剂气氛浓度的平衡,如果退火温度过高,则会造成溶剂挥发过快,达不到溶剂退火的效果;如果溶剂浓度过高,则会导致局部形成溶液,造成大量固体溶解,由于锡基钙钛矿的结晶速度过快,会产生岛状或者支晶状的钙钛矿,这样的薄膜质量较差。只有达到两者平衡时,此时才可以得到平整度高,晶粒大的锡基钙钛矿薄膜,以它为基础做成的器件性能也十分优越,效率能达到4%以上。同时因为热蒸发相对于溶液法来说,制备的薄膜更加均匀,因此对于大面积生产也具备非常大的潜力。另一方面,我们还在寻找与铅元素同周期的元素来进行取代,因为铅离子最外围的电子结构对于光电性能有着非常大的作用。然而与铅相邻的鉍和铊元素形成离子后,与铅离子化学价态不一样,导致在形成钙钛矿晶体时,会出现金属离子空位,而且晶格会发生畸变。所以需要找到合适的适配元素来达到化学价平衡,通过对于激子舒服能,结合能,电子和空穴有效质量等因素的分析,我们选择了元素银。当铋和银配对形成钙钛矿后,两者是均匀分布的,通过卤素离子的调节,可以得到带隙1.89 eV的钙钛矿材料,光学性能优异,具备非常光明的前景,这样的组合在纯无机钙钛矿或者有机无机杂化钙钛矿都得到了印证,可以分别制备大单晶和太阳能电池。综上所述,我们通过分析锡基钙钛矿和铅基钙钛矿的不同,在选择制备方法上另辟蹊径,打破了传统的溶液法制备局面,并且得到的钙钛矿质量很高,新方法的发明,对于锡基钙钛矿的研究有着非常重要作用。同时更稳定的双元钙钛矿也在逐步提高,在不久的将来肯定能过达到很好的效率,这种无毒稳定的钙钛矿必然是未来发展方向。