钙钛矿太阳电池短短数年时间转换效率已经突破22%，被认为是最有希望替代晶硅电池的新一代薄膜电池技术。然而，稳定性（传统钙钛矿含有易挥发、不稳定的有机阳极离子）和成本（目前的器件广泛采用价格昂贵的空穴和贵金属电极）问题成为了该电池技术走向商业化应用的一大障碍。日本冲绳科学技术研究所的Yabing Qi教授带领的研究团队，设计制备了锰元素部分替代铅的新型双卤素双金属离子的全无机钙钛矿吸光层，并用碳电极替代传统的spiro-OMeTAD空穴和金电极，不仅增强了电池转换效率，还显著改善了器件稳定性和成本，为钙钛矿电池商业化奠定了关键技术基础。研究人员用碘化锰（MnI2）替代部分的全无机钙钛矿铯铅碘溴（CsPbIBr2¬）溶液中的溴化铅，以将Mn2+离子掺杂到无机钙钛矿CsPbIBr2¬材料中，以期改变钙钛矿光电结构，从而实现对其能隙调控。二次离子质谱表征显示，Mn2+离子成功地替代了部分的Pb2+插入到CsPbIBr2晶格中，即成功制备了Mn2+离子掺杂的无机钙钛矿CsPb1?xMnxI1?2xBr2?2x（x为掺杂的Mn2+离子浓度）。此外，相比Pb2+离子，Mn2+离子半径更小，这会使得BX6八面体（B = Pb或Mn; X = I或Br）体积收缩，有助于提升钙钛矿晶体的稳定性。通过调整掺杂浓度，研究人员实现了对钙钛矿带隙的调控，紫外可见光谱和超紫外光电子谱表征显示，当x=0.005时，无机钙钛矿带隙宽度（CsPbIBr2带隙为1.89 eV）缩减到1.75 eV（带隙变窄能够吸收利用更多的太阳光能量），而扫描电镜和X射线衍射测试显示此时钙钛矿的成膜效果和结晶度也得到了提高，有利于载流子传输。随后研究人员将制备的两种全无机钙钛矿CsPbIBr2和CsPb0.995Mn0.005I1.01Br1.99作为吸光层，同时采用廉价的碳电极替代昂贵的spiro-OMeTAD空穴和金电极，来组装电池器件。光电性能表征结果显示，基于Mn2+离子掺杂的全无机钙钛矿太阳电池转换效率较无掺杂的器件大幅提升近20%，即从6.14%增大到7.36%。更为关键的是Mn2+离子掺杂还显著增强了电池稳定性，老化测试结果显示Mn2+离子掺杂的全无机钙钛矿太阳电池在空气环境中连续辐照运行300小时后，其效率仅衰减8%；而无掺杂的器件仅进行了144个小时的连续辐照测试后，转换效率便大幅下降20%。该项研究通过离子掺杂工程，实现了对无机钙钛矿晶体带隙和晶体结构优化，大幅改善了无机钙钛矿光吸收特性和结构稳定性，从而增强电池器件的性能，同时用廉价的碳电极取代传统钙钛矿电池中的昂贵的空穴传输层和金电极，大幅降低了制造成本，为制备高效稳定的钙钛矿电池提供了新途径。相关研究成果发表在《Advanced Energy Materials》 。
