近日，微電子學院範建東/李聞哲課題組在CsPbI2Br全無機鈣钛礦太陽電池器件研究中取得重要進展，相關成果以《Chromium-Based Metal–Organic Framework as A-Site Cation in CsPbI2Br Perovskite Solar Cells》為題發表在 Advanced Functional Materials （IF=18.808）上。博士研究生袁松洋為論文第一作者，範建東研究員和李聞哲副研究員為通訊作者。

       無機鈣钛礦CsPbIxBr3-x（0≤x≤3）太陽能電池由于其出色的熱穩定性而受到研究者的廣泛關注，但是，它們較差的濕度穩定性阻礙了其進一步的商業化應用。鑒于此，我們首次通過引入鉻金屬有機框架化合物(Cr-MOF)，設計并生長了基于此的二維結構鈣钛礦材料。該材料通過[PbI6]4-八面體頂點相連，形成單層螺旋網狀的無機層，Cr-MOF結構位于網格空位中與無機層交替排列，形成獨特的2D鈣钛礦結構。研究發現，通過将該材料與CsPbI2Br進行摻雜，可以實現多維度的電子耦合，Cr-MOF結構中金屬Cr離子具有較低的晶體場分裂能，易于激發價電子離域，并通過配位體三聯吡啶（TPy）的π-共轭結構，實現載流子的多向傳輸。鉻金屬有機框架鈣钛礦摻雜後，可以與3D鈣钛礦形成晶格匹配良好的異質結結構，差分電荷計算結果表明，鉻金屬有機框架鈣钛礦可以有效提取3D鈣钛礦中的電子，有利于鈣钛礦本體和電池器件功能層間的電荷傳輸。

圖1. Cr-MOF-CsPbI2Br鈣钛礦電子結構示意圖

       同時，飛行時間二次離子質譜的測試結果表明，鉻金屬有機框架鈣钛礦通過自組裝的形式，聚集在鈣钛礦層表面，有效抑制了水汽對鈣钛礦層的侵蝕。與空白的CsPbI2Br鈣钛礦電池器件相比，鉻金屬有機框架鈣钛礦摻雜後，器件效率和穩定性得到了明顯的提升，獲得了17.02%的功率轉化效率。同時，器件在相對濕度為30%的環境中，經過1000小時老化後仍保持 80% 的初始效率。這項研究為解決無機鈣钛礦的穩定性挑戰提供了新的範例。

圖2. Cr-MOF-CsPbI2Br鈣钛礦器件的光伏性能

       該研究由國家自然科學基金項目 (51872126、22075103、51672111、51802120)，廣東省自然科學基金傑出青年項目(2019B151502030)，廣州市科技計劃項目(202002030159)，中央高校基礎研究經費(21621112)，珠江“青年拔尖人才”項目(2017GC010424)，廣東省海外創新團隊項目(2016ZT06D081)共同資助。

（1）Chromium-Based Metal–Organic Framework as A-Site Cation in CsPbI2Br Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2106233.

文章鍊接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106233