北大周歡萍課題組JACS：探究高性能準二維鈣鈦礦太陽能電池的結晶動力學

【引言】

有機—無機鹵化物鈣鈦礦材料，由于其優越的光電特性，在近年來吸引了人們極大的興趣。鹵化物鈣鈦礦在通過降低維度而提高了穩定性的同時還能保持相對不錯的性能。但是目前對Q-2D鈣鈦礦薄膜的結晶動力學機理和晶體微觀結構的研究少之又少。

【成果簡介】

?最近，北京大學周歡萍課題組采用三元陽離子鹵化物鈣鈦礦(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃ Q-2D的鈣鈦礦作為原型，研究了多晶薄膜的晶體取向、載流子行為和薄膜生長結晶動力學過程。該研究發表于Journal of the American Chemical Society，題為“Exploration of Crystallization Kinetics in Quasi Two-Dimensional Perovskite and High Performance Solar Cells”。他們揭示了引入FA⁺可以很大程度改變準二維鈣鈦礦的結晶動力學過程，引入適當FA⁺可得到減少非輻射復合中心，保持高取向態的高質量薄膜。并且他們首次利用原位光致發光技術觀察了Q-2D相的形成過程，極大地促進了對準二維鈣鈦礦晶體生長過程中摻雜行為的理解，最終此鈣鈦礦光伏器件也達到了最高為12.81％的效率，是目前n=4的準二維鈣鈦礦太陽能反式結構電池的最高效率。該論文的第一作者為北京大學工學院博士研究生周寧。

?【圖文導讀】

?圖1. 薄膜的XRD與SEM圖像

（a）XRD圖；

（b）-（e）為(BA)₂(MA_1-xFA_x)₃Pb₄I₁₃分別在x = 0, 0.2, 0.4和0.6時膜的SEM圖像。

圖2. 鈣鈦礦薄膜的GIWAXS圖像

當x=0, 0.2, 0.4和0.6時，(BA)₂(MA_1-xFA_x)₃Pb₄I₁₃鈣鈦礦薄膜的GIWAXS圖。

圖3. 各材料的PL光譜

（a）(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃系列Q-2D鈣鈦礦薄膜的穩態PL光譜；

（b）ITO/(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃系列Q-2D鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜。

圖4. 鈣鈦礦結構圖與原位PL圖譜

（a）和（b）為不同MA/FA比例的(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃鈣鈦礦結構圖（a）(BA)₂(MA_0.8FA_0.2)₃Pb₄I₁₃，（b）(BA)₂(MA_0.4FA_0.6)₃Pb₄I₁₃；

（c）通過檢測在585nm (n = 2)，670nm (n = 4)和780 (n =∞)處的發射峰，(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃膜的原位PL測量結果。

圖5. 器件結構與性能

（a）Q-2D鈣鈦礦太陽能電池的器件結構；

（b）和（c）分別為基于(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃和(BA)₂(MA_0.8FA_0.2)₃Pb₄I₁的鈣鈦礦太陽能電池的最佳J-V曲線和EQE光譜；

（d）和（e）分別為J_sc和V_oc作為反式平面鈣鈦礦太陽能電池器件光強度的函數曲線；

（f）為采用正式器件結構，在濕度為40％-60％的空氣中儲存1300小時的Q-2D鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性測試。

【小結】

此項研究中設計了一系列Q-2D三元陽離子鹵化物鈣鈦礦(BA)₂(MA,FA)₃Pb₄I₁₃，其中，FA逐漸替代MA。研究人員通過XRD，GIWAXS，SEM，PL和TRPL等對其相態，形貌和光電性質進行了系統的探究。結果表明，適當的FA⁺摻入可獲得高度取向的準二維鈣鈦礦薄膜，并可減少所得到薄膜的非輻射復合中心。此外，通過原位PL表征，首次解析了準二維鈣鈦礦薄膜結晶成長的動力學機制。這些發現極大地促進對Q-2D鈣鈦礦薄膜生長過程中摻雜行為的理解。所得到的鈣鈦礦太陽能電池的PCE達12.81％，是目前n=4的Q-2D鈣鈦礦太陽能反式結構電池的最高效率。

【團隊介紹】

周歡萍研究員課題組自建立兩年來，一直致力于發展高效率，高穩定的鈣鈦礦型太陽能電池。隨著對有機／無機鈣鈦礦材料認識的加深，其更進一步的研究挑戰主要是如何理性地設計晶體結構（熱力學），調控其晶體生長過程（動力學），以實現所需要的晶體性質，從而更好地提高相應光電器件的性能及穩定性。其針對有機／無機鈣鈦礦材料的晶體結構以及微介觀結構進行研究，主要著眼于晶體設計、可控合成、及多晶薄膜生長過程中的形貌、結構/微結構的控制和缺陷化學，并取得了一系列重要進展。相關文章發表在：J. Am. Chem. Soc., DOI 10.1021/jacs.7b11157; Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606774; Adv. Mater., 2016, 28(44): 9862-9868; ACS nano, 2017, 11 (9), 8804-8813; Nano Energy, 2017, 40, 540-549; Small 2017, 13, 1700484等。

感謝國家自然科學基金(51722201，51672008，91733301), 國家重點研發計劃 （2017YFA0206701）, 國家青年千人項目，新奧集團和上海光源BL14B1同步輻射裝置（SSRF）提供測試。

文獻鏈接： Exploration of Crystallization Kinetics in Quasi Two-Dimensional Perovskite and High Performance Solar Cells (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b11157)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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