2021年7月1日，上海科技大學(xué)寧志軍課題組發(fā)表一篇JACS，對降低鈣鈦礦成本非常有效。
1. 將錫鈣鈦礦的重要原料SnI2降低至‘零成本’。
2. 將錫鈣鈦礦太陽能電池效率提升至14.6%。
SnI2是錫鈣鈦礦的最重要原料，如下圖1所示，傳統(tǒng)制備方法（TSS）需要在溶液中將I2和Sn原料合成為粗產(chǎn)品SnI2，然后經(jīng)過升華提純獲得高純度的SnI2，最后經(jīng)過溶解獲得SnI2前驅(qū)液。
圖1. 傳統(tǒng)方法（TSS）制備SnI2前驅(qū)液
寧志軍課題組另辟蹊徑，利用一步法（OSS）制備前驅(qū)液，如下圖2所示：他們在DMSO溶液中先溶解I2，然后加入Sn，攪拌后直接獲得前驅(qū)液。方法及其巧妙，直接把反鎖的‘合成-提純-溶解’變成一步‘溶解’！
圖2. 一步法（OSS）制備SnI2前驅(qū)液
OSS這種方法不僅避免了繁瑣的合成過程，而且能耗少，直接將成本降低至‘零’。具體地，如下圖OSS方法的成本是0.7 克/美元、TSS的成本是5.7 克/美元、商業(yè)化的SnI2成本高達50.8 克/美元，0.7克/美元和商業(yè)化的50.8 克/美元相比較，OSS相當(dāng)于是‘零成本’。
商業(yè)化的SnI2價格被打下來，能源消耗和碳排放也降低了，所以O(shè)SS方法具有良好的工業(yè)前景！
作者對比了TSS和OSS方法的SnI2在溶液中的配位數(shù)，他們發(fā)現(xiàn)OSS溶液中SnI2和溶劑的配位數(shù)更多。如下圖4a-b所示，TSS方法制備的SnI2薄膜存在偏析，而OSS薄膜中沒有看到；如圖4c所示，OSS方法的溶劑可以是氯苯和甲苯，而TSS方法并不能將SnI2很好地溶解于SnI2；利用X射線吸收譜表征（XAS），發(fā)現(xiàn)TSS的Sn-O配位數(shù)是1.8，而OSS的Sn-O配位數(shù)是2.4，說明OSS中的Sn和DMSO配位數(shù)比TSS的高（圖4e）。
更高配位的SnI2-DMSO方法對結(jié)晶動力學(xué)也有一定的調(diào)控，有助于提高薄膜均勻性和取向性。如原位掠入射X射線散射譜（GIWAXS，圖5）所示，OSS方法的鈣鈦礦前驅(qū)液結(jié)晶更加均勻，而TSS方法的鈣鈦礦存在SnI2的偏析，這是因為TSS的配位低的原因。對GIWAXS的衍射換進行積分，獲得方位角信息，發(fā)現(xiàn)OSS的鈣鈦礦薄膜取向性比TSS的好；OSS而且OSS的吸收系數(shù)比TSS的高，OSS的二維結(jié)構(gòu)比TSS的少，有助于載流子傳輸，而且OSS形貌致密度比TSS的好。
如下圖6，OSS界面的均勻性好于TSS薄膜的，OSS方法所制備的錫鈣鈦礦太陽能電池提升到了14.6%，而TSS的只有12.2%，這主要得益于OSS方法制備的電池具有更長的擴散長度。
這篇文章用一步法（OSS）制備原料，避免復(fù)雜的升華提純等過程，工業(yè)前景良好。此外，OSS方法提升了SnI2和溶劑的配位數(shù)，避免了SnI2偏析，提升了薄膜質(zhì)量，進而提高錫鈣鈦礦電池效率。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c03032
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