路易斯鹼性強弱如何比較
在目前的鈣鈦礦材料研究領域中，如何將鉛元素替換為無毒的錫元素並保持優異的材料效能是一直困擾科研人員的難題。近期，
上海科技大學物質學院米啟兮課題組
在理論指導下，
開發出了一種能大幅提升薄膜質量、抑制表面缺陷的新方法
，相關研究成果以“
Substituted Thiourea as Versatile Ligands for Crystallization Control and Surface Passivation of Tin-Based Perovskite
”為題在Cell出版社旗下子刊
Cell Reports Physical Science
上線上發表。
鈣鈦礦是近年發展迅速的新一代光電轉換材料的總稱，其中含鉛鈣鈦礦太陽能電池已日漸成熟，其實驗室光電轉換效率已突破25%，但材料中鉛元素的嚴重生物毒性限制了其大規模應用。錫是與鉛同主族且生物友好的元素，可以用於替代鉛得到錫基鈣鈦礦材料。但在現有技術條件下，由於結晶速度過快、易產生缺陷等原因，錫基鈣鈦礦材料製成的太陽能電池在效能上還有明顯的不足。
圖。 錫基鈣鈦礦材料在塗膜過程中容易快速結晶，產生雜亂無章和多缺陷的晶粒（上排），而此研究工作開發的含硫配體（黃色球）能夠有效地延緩結晶過程，得到平整緻密、表面缺陷被抑制的錫基鈣鈦礦薄膜。
針對這一難題，
米啟兮課題組
首先提出硫脲衍生物作為配體能夠與錫原子緊密結合，從而降低錫基鈣鈦礦的結晶速率的可能性。隨後，對一系列硫脲衍生物進行了分子建模計算，解析了其與二碘化錫形成配合物的晶體結構，表徵了硫脲衍生物對錫基鈣鈦礦薄膜性質的影響
。結果表明，
硫脲衍生物與錫原子的配位作用與硫原子上的負電荷（路易斯鹼性）直接相關，能顯著改善薄膜的結晶取向、孔隙率和光吸收性質。另一方面，硫脲衍生物還能有效地鈍化錫基鈣鈦礦的表面缺陷，成倍延長薄膜的激發態發光壽命
。綜合以上幾方面的效果，
含有硫脲衍生物的錫基鈣鈦礦薄膜顯著增加了太陽能電池器件的輸出電壓、電流密度和填充因子，光電轉化效率超過了12%並有進一步提升空間。
該成果為解決錫基鈣鈦礦材料的成膜問題提供了新的思路與方法。不僅揭示了錫基鈣鈦礦材料成膜質量通常較差的微觀層次原因和缺陷的具體存在形式，還發現了硫脲衍生物這一類分子與錫基鈣鈦礦能良好匹配。改進後的錫基鈣鈦礦太陽能電池在某些指標上已經接近主流的含鉛太陽能電池器件。
圖。 論文作者朱子豪（左）與米啟兮在實驗室
物質學院2020級博士生朱子豪為該論文的第一作者
，米啟兮教授為通訊作者，上海科技大學為此工作的唯一完成單位。本工作獲得了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金面上專案、殼牌–中科院前瞻科學專案的支援。樣品測試受益於物質學院分析測試中心、高分辨電子顯微中心完善的設施條件。本工作還得到了分析測試中心程佩紅、米啟兮教授課題組史志方以及寧志軍課題組周文佳的熱情幫助。本工作所開發的新型薄膜製備方法已經申請國家發明專利。
原文連結：
https：//doi。org/10。1016/j。xcrp。2021。100690