近年来，钙钛矿太阳能电池凭借高效率、低成本等优势，在世界范围内引起了人们的广泛关注。目前，器件最高光电转换效率已攀升至~24%，不断接近单结硅基光伏器件的最高效率，成为新型光伏器件领域的前沿热点。但是，钙钛矿太阳能电池的含铅问题是当前严重制约其商业化进程的一个枷锁。为了降低铅的用量，目前广泛采取的方案为化学降铅 (chemical lead reduction, CLR)，即采用锡、锗、铋、铟等元素部分或完全替换铅元素，重新构建钙钛矿材料体系，实现铅用量的降低。但是，化学降铅存在以下瓶颈性问题：首先，非铅元素的引入会严重影响铅卤钙钛矿光伏材料的晶格排列与能级结构，导致器件光电转换效率大幅下降；其次，虽然采用元素替换的方法可以降低铅元素的相对用量，但材料和制备工艺对环境敏感性高，难以有效控制，短期内前景不明朗；此外，理论模拟与实验结果均表明，铅元素的存在对于实现钙钛矿光伏器件的优异性能必不可少。因此，现阶段，采用化学降铅方法的效果有限且难度较大。那么，是否可以另辟蹊径，从物理光学的角度来思考以满足降铅需求呢？

北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”的朱瑞研究员、龚旗煌院士与西安交通大学的吴朝新教授合作，提出了一种物理降铅（physical lead reduction, PLR）的新思路。该工作中，作者将钙钛矿光吸收层厚度减薄至原厚度的1/3，并通过加入空间光学间隔层优化了电池内部的光场分布。仿真结果表明，所设计的薄层钙钛矿太阳能电池光电转换效率可达到原厚膜太阳能电池光电转换效率的96%，即实现~70%铅用量的降低。此项工作所提出的PLR方案并不需要改变原本的钙钛矿晶体结构，因此可广泛适用于目前所研发的高效钙钛矿体系，具有普适的应用价值。更重要的是，在降低铅用量的同时，PLR方案也降低了有机组分与卤素的用量，既节约了制备成本，又大幅降低了钙钛矿太阳能电池的毒性，为钙钛矿光伏器件全面走向商业化应用提供了新思路。

该论文的第一作者为朱瑞研究员课题组的博士后郑毅帆。该工作得到了国家973计划（Grant No. 2015CB932203）、国家自然科学基金（Grant No. 91733301, 61722501, 61377025, 91433203, 61604121）、博士后创新人才支持计划（Grant No. 8206200013）等的支持。

Yifan Zheng, RuiSu, Zhaojian Xu, Deying Luo, Hua Dong, BoJiao, Zhaoxin Wu, Qihuang Gong, Rui Zhu, Perovskite solar cell towards lower toxicity: a theoretical study of physical lead reduction strategy. Science Bulletin, 2019.

DOI: 10.1016/j.scib.2019.06.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319303317