多功能金属有机锡盐添加剂，用于实现高效Sn-Pb合金钙钛矿太阳能电池的制备

《Materials Today Energy》：Multifunctional metalorganic tin salt additive realizing efficient Sn-Pb alloyed perovskite solar cells

本研究提出使用SnOct2作为添加剂，有效抑制Sn2?氧化并钝化碘空位缺陷，优化了Sn-Pb合金钙钛矿薄膜结晶质量，使电池效率从19.18%提升至23.12%，并实现长期稳定性。分隔符：

　　Sn-Pb合金钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光伏技术领域中具有重要地位，因其在光吸收性能和理论效率方面的潜力。然而，实现其高效稳定性的关键障碍在于Sn2?的较差结晶性和易氧化性。Sn2?在钙钛矿薄膜中容易与氧气发生反应，生成Sn??，这不仅会导致薄膜内部缺陷的增加，还会引发严重的非辐射载流子复合现象，从而降低电池的整体性能。此外，Sn-Pb钙钛矿薄膜的快速结晶过程往往无法形成高质量的晶体结构，导致薄膜中出现孔洞、晶粒尺寸较小以及覆盖不完整等问题，进一步影响了电池的效率和寿命。同时，Sn-Pb钙钛矿层与传统用于Pb钙钛矿的电荷传输层之间存在能级差异，这种差异可能导致开路电压的显著下降，成为限制Sn-Pb PSCs商业化应用的另一大难题。

为了解决这些问题，研究人员致力于开发新的添加剂，以优化Sn-Pb钙钛矿薄膜的性能和稳定性。早期的研究中，有机锡氟化物（SnF?）被引入钙钛矿前驱体溶液，作为Sn空位的抑制剂，通过提供Sn2?离子并抑制其氧化来改善薄膜质量。然而，SnF?的使用存在一定的局限性。一方面，其高用量（通常超过10摩尔%）可能导致严重的相分离现象，影响薄膜的均匀性和稳定性；另一方面，SnF?的残留物可能带来氟化物污染，对环境和人体健康构成潜在威胁。此外，SnF?在钙钛矿界面处形成的氟化物聚集体可能阻碍电荷的提取，降低电池的效率。

为了克服这些缺陷，近年来的研究转向了其他类型的添加剂。例如，一些研究尝试通过使用有机酸（如抗坏血酸）来减缓Sn2?的氧化速率，并改善薄膜的结晶结构。这种方法在一定程度上提高了Sn-Pb PSCs的效率，但有机残留物的存在仍然对长期稳定性提出了挑战。此外，有研究通过在钙钛矿薄膜的上下表面分别使用乙二胺二碘化物（EDAI?）和甘氨酸盐酸盐（GlyHCl）进行处理，以提升电荷提取效率并减少缺陷密度。虽然这种方法在实验中取得了较高的效率（达到23.6%），但有机残留物的难以清除可能对电池的稳定性产生负面影响。

在此背景下，研究人员提出了一种新的金属有机添加剂——锡辛酸（SnOct?），并将其应用于Sn-Pb合金钙钛矿太阳能电池的制造过程中。SnOct?作为一种金属有机化合物，具有良好的环境友好性和安全性。它不仅被广泛用于环状开环聚合反应中，还被批准为食品添加剂，表明其在化学稳定性方面具有优势。通过实验和计算方法，研究团队发现SnOct?能够有效防止Sn-Pb钙钛矿薄膜的氧化，并显著改善薄膜的结晶质量。

从结构上看，SnOct?由锡离子和辛酸根离子组成。辛酸根离子（Oct?）在钙钛矿前驱体溶液和薄膜中均能与Sn2?形成强烈的配位相互作用。这种相互作用不仅能够抑制Sn2?在环境中的氧化，还能在薄膜中形成稳定的化学键，从而提高薄膜的稳定性。此外，Oct?离子还能有效吸附在碘空位上，减少薄膜中的缺陷态，从而降低非辐射复合的概率。这一特性表明，Oct?离子在抑制碘空位形成方面具有显著的钝化作用，有助于提升钙钛矿薄膜的电荷传输性能。

在实际应用中，SnOct?的引入显著提升了Sn-Pb合金钙钛矿太阳能电池的性能。实验结果显示，使用SnOct?作为添加剂的Sn-Pb钙钛矿薄膜，其最佳功率转换效率（PCE）从19.18%提升至23.12%。这一效率的提升表明，SnOct?不仅能够改善薄膜的结晶质量，还能有效减少内部缺陷，从而提高电荷的收集效率。此外，SnOct?还能够调节钙钛矿薄膜的结晶动力学，通过形成中间复合物来控制结晶过程，使薄膜在形成过程中更加均匀和完整。

在稳定性方面，SnOct?的引入也带来了显著的改善。研究团队发现，在氮气环境中存储1000小时后，未封装的Sn-Pb钙钛矿太阳能电池仍能保持初始效率的83%，而在常温常湿环境下存储500小时后，其效率仍可保持初始值的43%。这一结果表明，SnOct?能够有效保护钙钛矿薄膜免受环境因素的影响，从而延长电池的使用寿命。此外，SnOct?的引入还降低了电池在长期运行过程中因氧化或缺陷积累而导致的性能衰减，为Sn-Pb PSCs的商业化应用提供了新的可能性。

从机理分析来看，SnOct?的作用主要体现在三个方面。首先，它能够通过与Sn2?的强配位相互作用，抑制Sn2?的氧化。这种配位作用不仅能够稳定Sn2?的化学状态，还能减少其与氧气的接触，从而降低氧化反应的可能性。其次，SnOct?能够有效吸附在碘空位上，减少薄膜中的缺陷态，提高薄膜的电荷传输效率。这一特性使得SnOct?在抑制碘空位形成方面表现出良好的钝化效果。最后，SnOct?通过调节钙钛矿薄膜的结晶动力学，形成更均匀、更完整的晶体结构，从而减少薄膜中的孔洞和裂纹，提高其机械强度和电学性能。

在实验设计方面，研究人员通过X射线衍射（XRD）测试分析了不同SnOct?添加量对Sn-Pb钙钛矿薄膜结晶质量的影响。实验结果显示，SnOct?的加入能够显著改善薄膜的结晶结构，使其更接近理想的单晶状态。这表明，SnOct?不仅能够抑制Sn2?的氧化，还能在结晶过程中起到调控作用，从而提高薄膜的整体质量。此外，研究人员还通过密度泛函理论（DFT）计算分析了SnOct?在钙钛矿薄膜中的作用机制，进一步验证了其在抑制氧化和缺陷形成方面的有效性。

在实际应用中，SnOct?的引入不仅提升了Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的效率，还显著提高了其稳定性。这使得Sn-Pb PSCs在实际环境中具有更长的使用寿命，从而满足了商业化应用的需求。此外，SnOct?的环境友好性也使其成为替代传统有机添加剂的理想选择。相比于SnF?等添加剂，SnOct?的使用量较低，且不易残留，减少了对环境的潜在污染。

综上所述，SnOct?作为一种新型的金属有机添加剂，在提升Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性方面表现出显著的优势。它不仅能够有效抑制Sn2?的氧化，还能改善薄膜的结晶质量，减少缺陷态，从而提高电荷传输效率。此外，SnOct?的引入还显著提升了电池的长期稳定性，使其在实际应用中更具可行性。这些发现为Sn-Pb PSCs的进一步研究和商业化应用提供了重要的理论支持和实验依据，同时也为开发更高效、更稳定的钙钛矿太阳能电池开辟了新的方向。

研究团队在本工作中还详细描述了实验所使用的材料和设备。例如，甲基铵碘化物（MAI）、甲基铵氯化物（MACl）、甲基铵碘化物（FAI）、铅碘化物（PbI?）、锡碘化物（SnI?）等材料均被用于钙钛矿薄膜的制备。此外，一些辅助材料如BCP、IPA、PCBM等也被用于器件的构建。这些材料的选择和使用不仅确保了实验的可行性，还为研究结果的可重复性和可扩展性提供了保障。

在实验过程中，研究人员通过多种手段对SnOct?的性能进行了深入分析。例如，XRD测试用于评估SnOct?对钙钛矿薄膜结晶质量的影响，而DFT计算则用于揭示SnOct?在薄膜中的作用机制。这些方法的结合不仅能够提供直观的实验数据，还能通过理论分析进一步解释实验现象，从而加深对SnOct?作用机理的理解。此外，研究人员还通过长期稳定性测试，评估了SnOct?在不同环境条件下的表现，为Sn-Pb PSCs的实际应用提供了重要依据。

本研究的成果表明，SnOct?在提升Sn-Pb钙钛矿太阳能电池性能和稳定性方面具有广阔的应用前景。通过引入SnOct?，不仅可以有效解决Sn2?易氧化和钙钛矿薄膜结晶质量差的问题，还能提高电池的长期稳定性，使其在实际环境中更具可行性。此外，SnOct?的环境友好性也使其成为替代传统有机添加剂的理想选择，为开发更高效、更环保的钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。

在未来的研究中，可以进一步探索SnOct?在不同钙钛矿体系中的适用性，以及其在大规模生产中的可行性和成本效益。此外，还可以研究SnOct?与其他添加剂的协同作用，以进一步提升电池的性能和稳定性。这些研究将有助于推动Sn-Pb钙钛矿太阳能电池技术的发展，使其在光伏领域中占据更重要的地位。

本研究的作者团队由多位研究人员组成，他们在各自的研究领域中发挥了重要作用。例如，Baisheng Sa负责软件开发和项目管理，Bo Wu参与了验证和软件开发工作，Jiansheng Li则负责验证和资金获取。Linqin Jiang和Jiansen Wen分别负责撰写和审阅论文、资源管理和资金获取，以及数据可视化和实验分析。Ping Li和Yu Wang负责实验设计和数据整理，而 Hao Xiong则负责论文的撰写、原始研究、方法设计、数据分析和概念构思。Yu Qiu则负责论文的审阅和指导。这些作者的贡献体现了团队合作在科研工作中的重要性，也为本研究的顺利进行提供了有力支持。

此外，本研究还得到了多个资助机构的支持。其中包括福建省市场监督管理局（FJMS2024006）、国家自然科学基金（52102158）、福建省科技厅（2023H6037, 2024J01948）、福建江夏大学基金（JXZ2021002）以及福建省教育厅（JAT220241）和福建省高校科技创新团队计划（IRTSTFJ）等。这些资金支持为本研究的开展提供了必要的资源和条件，也体现了科研机构对Sn-Pb钙钛矿太阳能电池研究的重视。

总的来说，SnOct?作为一种新型的金属有机添加剂，在提升Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性方面展现出显著的优势。通过实验和计算方法的结合，研究人员揭示了SnOct?在抑制Sn2?氧化、改善薄膜结晶质量以及减少缺陷态方面的作用机制。这些发现不仅为Sn-Pb PSCs的进一步研究提供了理论依据，也为其商业化应用开辟了新的可能性。同时，本研究也强调了在开发新型添加剂时，需要综合考虑其性能、稳定性和环境友好性，以实现更高效、更环保的钙钛矿太阳能电池技术。