近日，上海交通大學材料科學與工程學院陳漢研究員團隊在鈣鈦礦光伏器件領域取得新進展，相關研究成果以“Synchronized crystallization in tin-lead perovskite solar cells”為題發表在Nature Communications期刊上。材料學院2021級博士生張堯和2020級博士生李春燕為該文章共同第一作者，陳漢研究員為通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金、上海自然科學基金、和國家萬人計劃等的支持。

錫鉛混合鹵素鈣鈦礦在薄膜光伏領域具有巨大應用潛力，其帶隙為1.2 eV左右，可通過溶液法制備。目前，錫鉛鈣鈦礦薄膜的光電質量受到錫和鉛之間結晶速率差異的影響。前驅體中錫基成分的結晶速率往往快于鉛基成分，造成半導體薄膜成分不均勻和較差的光電性能。

圖一. 錫鉛離子和溶劑配體的相互作用

在這項研究中，上海交通大學陳漢等人揭示了錫基鈣鈦礦的快速結晶根源于其立體化學活潑的孤電子，孤電子排斥作用阻礙了鈣鈦礦前驅體溶液中錫離子與配體分子之間的配位結合。從這一角度出發，陳漢團隊引入對苯二胺作為非共價配體，針對不飽和的錫離子配合物中的開放位點，通過非共價作用結合來穩定高配位的錫離子-溶劑分子中間體（圖一）。

圖二. 前驅體溶液表征

圖三. 薄膜結晶過程表征

通過對前驅體溶液的可見光譜，紅外光譜，核磁氫譜，以及X射線吸收精細結構譜等表征研究，發現對苯二胺在錫鉛混合鈣鈦礦前驅體溶液中可以選擇性地和錫離子結合，而不和鉛離子發生反應（圖二）。通過原位熒光光譜，掃描電鏡，二次離子質譜，和X射線衍射譜等表征證明對苯二胺可以延緩溶液結晶并使薄膜中錫鉛分布更加均勻（圖三）。

圖四. 光伏器件性能表征