南京理工大學張樹芳團隊AEM: 基于2D MA3Bi2I9/3D MAPbI3異質結構的高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池

引言

近年來，有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于其優異的光電性能，已成為下一代光伏器件最有希望的候選材料之一，其光電轉換效率已經在短短幾年內由最初的3.8%快速達到了22.7%。然而，鈣鈦礦材料在大氣環境中的長期穩定性問題仍然是限制其進一步工業應用的致命弱點。另一方面，與傳統的3D MAPbI₃鈣鈦礦納米晶相比，類層狀2D鈣鈦礦材料具有更高的穩定性，但相應的太陽能電池的效率偏低（PCE＜13%）。因此，在傳統的3D MAPbI₃薄膜中的摻入類層狀2D鈣鈦礦材料是一個合理的策略來實現鈣鈦礦電池在提高穩定性的同時保持較高的效率。然而，通常傳統的2D鈣鈦礦材料結構中有一個大的烷基銨陽離子（比如PEA⁺、EDA⁺等），這些大的有機集團在薄膜中容易作為雜質影響電子輸運，增加電子復合，從而最終影響器件的光伏性能。

成果簡介

近日，南京理工大學張樹芳團隊通過使用在空氣中具有高穩定性的小分子類層狀結構材料MA₃Bi₂I₉，成功制備了具備獨特結構的2D納米片/3D納米晶的異質結鈣鈦礦薄膜。在2D/3D異質結構的薄膜中，觀察到疏水的2D MA₃Bi₂I₉均勻的散布在3D MAPbI₃顆粒之間，不僅實現對非輻射電荷重組的抑制，而且還大大提高了薄膜對空氣濕氣的耐受性。最終，具有最佳MA₃Bi₂I₉含量的太陽能電池不僅表現出了高達18.97%的功率轉換效率，并且在穩定性方面也有顯著的提高。相關成果以題為“Highly Efficient and Stable Solar Cells with 2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ Heterostructured Perovskites”在Advanced Energy Materials （AEM）雜志上發表。南京理工大學的博士研究生胡延強為論文第一作者，張樹芳副教授為文章通訊作者。

圖文導讀

圖1. 晶體結構及晶相

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a）2D MA₃Bi₂I₉、3D MAPbI₃的晶體結構示意圖。

b）3D MAPbI₃，2D MA₃Bi₂I₉以及不同比例的2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃異質結鈣鈦礦前驅液及對應的薄膜照片。

c）3D MAPbI₃，2D MA₃Bi₂I₉以及不同比例的2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃異質結鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。

圖2. 光學性能測試及薄膜形貌

a、b）3D MAPbI₃，2D MA₃Bi₂I₉以及不同比例的2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃異質結鈣鈦礦薄膜的紫外-可見吸收、PL光譜。

c-e） 2D MA₃Bi₂I₉，3D MAPbI₃以及2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ (9.2%)異質結鈣鈦礦薄膜的SEM圖像。

f-h） 2D MA₃Bi₂I₉，3D MAPbI₃以及2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ (9.2%)異質結鈣鈦礦薄膜的AFM圖像。

圖3.鈣鈦礦薄膜的結構組分研究

a）2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃異質結鈣鈦礦薄膜的元素分布圖。

b-e）鈣鈦礦薄膜的高分辨光電子能譜。

圖4. 2D-3D鈣鈦礦異質結構對光電性能的影響及機制研究

a）鈣鈦礦薄膜在恒定光照條件下的阻抗譜。

b）鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜。

c） 2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃異質結的擬議電子帶示意圖。

圖5.鈣鈦礦薄膜的穩定性測試

a、b）30%的濕度條件下，不同放置時間下鈣鈦礦薄膜的紫外-可見吸收譜變化。

c、d）濕度穩定性測試中，不同放置時間下鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜變化。

圖6.鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能研究

a、b）3D MAPbI₃、2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ (9.2%)異質結鈣鈦礦薄膜器件的橫截面SEM圖像。

c）鈣鈦礦電池器件的J-V曲線。

d）電池器件的IPCE譜圖。

e）電池的穩定功率輸出。

f）電池數作為PCE的函數的直方圖。

圖7.鈣鈦礦器件的穩定性測試

a、b）30%的濕度條件下，高性能非封裝的太陽能電池器件的穩定性比較。

總結

該工作進一步表明，通過使用具有不同形狀特征的鈣鈦礦材料構造獨特異質結鈣鈦礦薄膜是制備高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池可行途徑

第一作者簡介

胡延強 博士研究生 方向：鈣鈦礦太陽能電池、憶阻器

通訊作者簡介

張樹芳?女?副教授?碩士生導師?南京理工大學材料科學與工程學院新能源材料研究團隊負責人，從事光電材料和器件研究多年，具有扎實的理論基礎和豐富的科研經驗。從事與本項目非常相關的太陽能電池機理研究將近10年，熟練掌握高效率鈣鈦礦太陽電池和染料敏化太陽能電池的制備、測試技術和分析方法，深入了解電池中界面物質之間的相互關系以及電池重要光電轉化過程的機理。研究工作主要集中在光電材料和器件的能量與電荷轉移機理、器件性能分析和高效率器件設計上，研究結果分別發表在Energy and Environmental Science、Advanced Functional Materials等知名國際刊物上。

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