近日，上海交通大学材料科学与工程学院、张江高等研究院陈汉研究员团队在钙钛矿光伏器件领域取得新进展，相关研究成果以“Synchronized crystallization in tin-lead perovskite solar cells”为题发表在Nature Communications期刊上（https://www.nature.com/articles/s41467-024-51361-2）。材料学院2021级博士生张尧和2020级博士生李春燕为该文章共同第一作者，陈汉研究员为通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金、上海自然科学基金、和国家万人计划等的支持。

锡铅混合卤素钙钛矿在薄膜光伏领域具有巨大应用潜力，其带隙为1.2 eV左右，可通过溶液法制备。目前，锡铅钙钛矿薄膜的光电质量受到锡和铅之间结晶速率差异的影响。前驱体中锡基成分的结晶速率往往快于铅基成分，造成半导体薄膜成分不均匀和较差的光电性能。

图一. 锡铅离子和溶剂配体的相互作用

在这项研究中，上海交通大学陈汉等人揭示了锡基钙钛矿的快速结晶根源于其立体化学活泼的孤电子，孤电子排斥作用阻碍了钙钛矿前驱体溶液中锡离子与配体分子之间的配位结合。从这一角度出发，陈汉团队引入对苯二胺作为非共价配体，针对不饱和的锡离子配合物中的开放位点，通过非共价作用结合来稳定高配位的锡离子-溶剂分子中间体（图一）。

图二. 前驱体溶液表征

图三. 薄膜结晶过程表征

通过对前驱体溶液的可见光谱，红外光谱，核磁氢谱，以及X射线吸收精细结构谱等表征研究，发现对苯二胺在锡铅混合钙钛矿前驱体溶液中可以选择性地和锡离子结合，而不和铅离子发生反应（图二）。通过原位荧光光谱，扫描电镜，二次离子质谱，和X射线衍射谱等表征证明对苯二胺可以延缓溶液结晶并使薄膜中锡铅分布更加均匀（图三）。

图四. 光伏器件性能表征

最终，单结锡铅钙钛矿太阳能电池实现了24.13%的光电转换效率， 通过第三方实验室（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）认证。封装器件在单太阳光强辐照下经过795小时的最大功率点运行，可保持90%的初始效率（图四）。