ABX3（A= MA+, FA+, Cs+; B= Pb2+, Sn2+; X=Cl-, Br-, I-）有机-无机金属卤化钙钛矿在光电子研究领域受到了人们的广泛关注。该钙钛矿结构框架主要由BX6八面体决定，且其电子轨道分布控制材料的价带和导带能级位置，影响材料中载流子（电子和空穴）及材料稳定性。近年来，研究者们多使用材料成分调节和能带工程的方法对钙钛矿材料性质进行调控，如使用阳离子共位（MA+, FA+, Cs+共A位）的方法实现对材料及器件稳定性的改善。FA+/Cs+阳离子引入到材料晶格的过程中，材料晶格常数减小，晶体内部的应变得到有效释放。

为了调节有机-无机铅卤钙钛矿的光电性能和解决毒性问题，研究者们常采用其他无毒元素对Pb进行取代。值得注意的是，钙钛矿的晶格参数主要由BX6无机框架决定。因此，通过铅取代来调节BX6八面体框架来实现晶格应变的释放、获得结构有序、稳定的少Pb或非Pb钙钛矿及其太阳能电池器件具有可行性意义。华中科技大学/武汉光电国家研究中心王鸣魁教授课题组采用Zn替换实现晶体缩紧的ABX3钙钛矿结构，获取有序的CH3NH3(Zn:Pb)I3-xClx晶体，通过BX6八面体的适当晶格收缩来实现应变释放。这种结构有利于晶体缺陷的抑制和材料本征稳定性的改善（图1）。

图1 （a） MA(Zn:Pb)I3-xClx钙钛矿薄膜微应变表征，以MAPbI3-xClx钙钛矿的微应变为参考，淡蓝色和浅绿色标记的分别是材料应变释放和应变增加的区域。（b）MA(Zn:Pb)I3-xClx钙钛矿薄膜的Urbach带尾表征，淡绿色区域为Urbach能量拟合范围，拟合结果如图中所示。表明采用适当的Zn对Pb进行替换有利于材料应变的释放，材料内部电荷有序性增强。

高度有序大晶体尺寸的CH3NH3(Zn:Pb)I3-xClx钙钛矿有利于相应器件出色光伏性能的实现。研究团队采用Zn-Pb二元金属卤化钙钛矿作为吸光层材料、spiro-OMeTAD 作为空穴传输层，实现器件转换效率超过20%，基于poly-TPD 的传输层器件获得>18%的效率，并且器件稳定性明显提高（图2）。

图2 以CH3NH3(Zn:Pb)I3-xClx钙钛矿作为光吸收层的电池器件结构及其光-电输出特性

这种通过替代效应和晶体特征来进一步改善钙钛矿薄膜质量和器件性能的方法具有重要的实际应用意义。通过改善新型钙钛矿晶体结构和成分组成以及优化电荷传输层来提高器件性能的方法势在必行。

该研究结果以题为“Achieving ordered and stable binary metal perovskite via strain engineering”论文发表在Nano Energy上。文章链https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.047（Nano Energy, 2018）。该研究工作得到了国家自然科学基金项目（No. 21673091）、湖北省自然科学基金（No. ZRZ2015000203）等项目的支持。