近日，物理学院巨明刚教授、王金兰教授团队与香港城市大学曾晓成教授团队合作，基于第一性原理的半导体缺陷模拟方法，在锡基钙钛矿有机缺陷非辐射复合方面取得了最新研究进展，其成果以“Influence of Organic-Cation Defects on Optoelectronic Properties of ASnI3 Perovskites A=HC(NH2)2, CH3NH3”为题在线发表于化学领域期刊Angewandte Chemie International Edition上。
随着能源危机日益加剧，开发绿色可持续的能源技术显得尤为重要。基于卤化锡的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池是目前最具潜力的光伏技术之一。但是，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍然受到材料缺陷导致的非辐射复合过程的影响，而有机无机杂化钙钛矿中旋转A位阳离子的功能性也不甚清楚。因此，揭示隐藏在缺陷背后的微观结构及其动态变化，有助于我们重新评估钙钛矿中有机缺陷的作用，并提高钙钛矿太阳能电池的性能。
针对这一问题，巨明刚教授、王金兰教授和曾晓成教授团队以FASnI3和MASnI3为研究对象，运用“一维多声子发射模型”，分析了锡基钙钛矿中有机阳离子不同种类的氢空位（VH）缺陷。由于质子容易从有机阳离子上解离，FASnI3中的顺式 VH (N) 和 MASnI3中的 VH (N) 就可以成为非辐射复合的主要途径，造成光电转换效率低下。考虑到钙钛矿中软晶格的亚稳性和非谐性，缺陷FA 的动态变化使得氢空位的非辐射复合系数极低，这意味着 FA 在高温下快速旋转能够有效地抑制非辐射复合，增强缺陷容忍性。相反，MASnI3中的氢空位缺陷显示出更高的非辐射复合系数，说明 氢空位是影响MASnI3光伏性能的一个重要因素。该研究揭示了有机阳离子的动态旋转与载流子复合之间的关联性，为钙钛矿的“缺陷容忍度”提供了新的理论视角。
本文的第一作者是东南大学博士生嵇群，东南大学物理学院巨明刚教授、王金兰教授与香港城市大学曾晓成教授为共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和中央高校基本科研业务费专项资金资助。
论文链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202213386