近年來，鉛基鹵素鈣鈦礦材料由于其優異的光電特性成為太陽能電池的明星材料，從而受到了廣泛的關注和研究。然而，重金屬鉛會對于環境和人體造成不可忽視的危害。基于此，科研人員致力于研究環境友好的錫基鈣鈦礦材料，并獲得了較大的進展。相較于鉛基鈣鈦礦，錫基鈣鈦礦材料結晶速度快、形成活化能低，使得相應薄膜結晶質量低、形貌差、缺陷密度高。此外，Sn2+容易氧化為Sn4+，會在鈣鈦礦薄膜中導致Sn空位和p型摻雜，進而產生更強的非輻射復合，大大降低器件能量轉換效率。這些缺陷導致的相關穩定性問題也成為錫基鈣鈦礦太陽能電池發展的另一個瓶頸。近年來，配體修飾策略在錫基鈣鈦礦材料中顯示出巨大的潛力：大體積胺類配體被證明有利于控制鈣鈦礦薄膜的結晶生長，且由于胺基配體結構的疏水和疏氧性，器件的穩定性得以提高。

針對以上鈣鈦礦太陽能電池器件中存在的問題，吳朝新教授組研究了三種同分異構氟代配體，即4-氟-苯乙基碘化銨（4-F-PEAI）、3-氟-苯乙基碘化銨（3-F-PEAI）和2-氟-苯乙基碘化銨（2-F-PEAI），同時實現了結晶控制和Sn2+的氧化抑制。利用配體的氫鍵效應，制備了致密均勻的Sn基鈣鈦礦薄膜。此外，觀察到表面晶格的穩健性與配體的幾何結構密切相關，這進一步在不同程度上影響了Sn空位的形成。2-F-PEA采用彎曲幾何結構，在表面由單一方向對齊，對于結構的穩健性超過其他異構體（3-F-PEA和4-F-PEA）。不同的晶格應力影響了Sn空位形成的復雜性。結果，2-F-PEAI修飾的Sn基鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率為10.17 %（認證效率8.58 %）。在1600小時光老化試驗下，效率衰減小于15%。

該研究工作提出的含氟有機配體的方法為高效穩定的Sn基鈣鈦礦太陽能電池研究開辟了一條新的途徑。

近日，該項研究工作以“Ligand Orientation Induced Lattice Robustness for high-efficient and stable Tin-Based Perovskite Solar Cells”為題發表于國際期刊ACS Energy Letters (2020) （影響因子 16.331，論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960）。第一作者為課題組博士生李培舟，董化副教授、李璟睿特聘研究員和吳朝新教授為共同通訊作者，西安交通大學為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到自然科學基金委項目等的支持。

西安交通大學吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如太陽能電池與發光二極管，近期有多項重要成果發表于Joule，Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等國際頂級期刊。