在探索提升太阳能电池效率的前沿领域，一种创新的光谱调控策略是通过构建合金化材料来实现。以铜铟硒（CIS）电池为基础，科学家们发现，通过部分替换硒元素为镓，所形成的铜铟镓硒（CIGS）合金电池能够显著降低带隙，进而拓宽光谱吸收范围，其性能已可比肩多晶硅电池。同样地，在钙钛矿电池这一研究热点中，CH3NH3PbI3与CH3NH3SnI3因分别具有800纳米和950纳米的带隙而备受瞩目。当这两者融合为Sn-Pb合金钙钛矿材料时，其光吸收能力竟能超越1000纳米，例如CH3NH3Sn0.5Pb0.5I3的吸收边界就达到了1060纳米。然而，由于Sn(II)的高度还原性，制备Sn-Pb钙钛矿的条件相较于纯Pb钙钛矿更为严苛。
近期，香港大学的蔡植豪（Wallace C. H. Choy）研究团队引入了二甲基亚砜（DMSO）作为一种调控手段，旨在优化Sn-Pb钙钛矿薄膜的生长过程及其微观结构。通过精细调控结晶过程，他们成功制备的MASn0.25Pb0.75I3薄膜中，(110)晶向的钙钛矿结晶强度提升了20倍，织构系数也增至0.88，增幅达到2.6倍。采用此材料构建的太阳能电池器件，最高光电转换效率达到了15.2%，相关研究成果已发表于《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater.）期刊。
DMSO在此扮演了一个重要角色，作为SnI2和PbI2的有效保护剂，它阻碍了这些金属碘化物直接参与钙钛矿的混合结晶过程。研究团队根据DMSO含量的不同，将样品分为DMSO-0、DMSO-25、DMSO-50和DMSO-75四组。实验结果显示，所有薄膜均展现出良好的平整度，尤其是含有DMSO的薄膜，其粗糙度远低于不含DMSO的薄膜（65纳米对比11至6纳米）。此外，DMSO的引入还显著促进了Sn-Pb钙钛矿晶粒的生长，DMSO-25与DMSO-50样品的晶粒尺寸分别达到了250纳米和200纳米，远超无DMSO薄膜的100纳米。
研究团队提出了基于胶体生长的机制来解释这一现象。DMSO不仅因其高黏性和相对较低的蒸气压，还因其能形成稳定的中间体，调节PbI2或SnI2的行为。在旋涂过程中，随着溶剂的挥发，金属碘化物胶体与甲胺碘结合，开始形成钙钛矿。在无DMSO的前驱体中，甲胺碘直接替代DMF与SnI2及PbI2反应，而DMF的快速封口作用促进了大量反应点的生成，但这也导致了小晶粒、较差的结晶性和无序的晶体取向。相比之下，DMSO因其对金属碘化物更高的亲和力，在DMSO/DMF混合前驱体中，主要覆盖在集簇表面，减缓了反应速率，从而促进了更大晶粒的形成、结晶性的增强以及更优的晶体取向。然而，过量的DMSO会溶解PbI2及SnI2，导致晶粒尺寸减小。
最终，利用DMSO-50制备的MASn0.25Pb0.75I3平面异质结钙钛矿太阳能电池，实现了15.2%的最高效率，且展现出了宽光谱响应和无迟滞效应。本研究深入探讨了DMSO比例对Pb-Sn合金钙钛矿电池性能的影响，为窄带隙钙钛矿太阳能电池的发展提供了重要参考。然而，Sn基钙钛矿电池的稳定性问题仍然是未来研究亟待解决的关键挑战。
Controllable Crystallization of CH3NH3Sn0.25Pb0.75I3 Perovskites for Hysteresis-Free Solar Cells with Efficiency Reaching 15.2%
Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1605469, DOI: 10.1002/adfm.201605469
