華中科技大學Nano Energy：通過應變工程獲得有序且穩定的二維金屬鈣鈦礦

【引言】

有機無機混合鹵化物鈣鈦礦含有一個BX₆八面體，該結構會影響材料的價帶和導帶能量以及軌道組成，進而影響電子和空穴的穩定性。許多研究通過調節鈣鈦礦組分和能帶工程使鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）取得了突破。此外，有機空穴傳輸材料如Spiro-OMeTAD、PTAA作為ABX₃鈣鈦礦吸收層的補充，提升了電池效率。盡管鈣鈦礦種類繁多，電池結構多樣，商業應用前景可觀。然而，其對濕度、空氣、溫度要求甚高，以及對光照敏感，減緩了鈣鈦礦太陽能電池的發展。鉛鹵鈣鈦礦的電子特性很大程度上取決于金屬部分，特別是Pb的6s²孤對和鹵素的雜化軌道。Zn具有很好的電子施與能力，與Pb和Sn相比，Zn更易形成dsp²雜化軌道，使d和s以及P軌道中的電子一起參與鍵合。而這會增強鹵素鄰體的連接，從而增強對應鈣鈦礦的本征穩定性。

【成果簡介】

近日，華中科技大學王鳴魁教授(通訊作者)等人在Nano Energy上發表了題為“Achieving Ordered and Stable Binary Metal Perovskite via Strain Engineering”的文章。通過適量地引入Zn，限制了ABX3結晶，在BX₆八面體內適當的晶格收縮緩解了晶格應力，研究人員獲得了有序穩定的CH₃NH₃(Zn:Pb)I_3-xCl_x 晶體。在模擬太陽光下，鈣鈦礦太陽能電池效率達到了20.06%。

【圖文導讀】

圖1 電池結構和鈣鈦礦材料示意圖

圖2 不同Zn:Pb比例（從0到1:10）的CH₃NH₃(Zn:Pb)I_3-x鈣鈦礦樣品的表征

a）XRD分析圖；

b）平面掃描電鏡俯視圖；

c）對應a）中樣品的應力計算結果；

d）不同Zn:Pb比例的鈣鈦礦吸收光譜；

e）調控Zn替代含量后激子結合能和帶隙能；

f）Zn 2p核心層軌道對應ITO玻璃上CH₃NH₃(Zn:Pb)I_3-x鈣鈦礦的X射線光電能譜；

e）Pb 4f核心層軌道對應ITO玻璃上CH₃NH₃(Zn:Pb)I_3-x鈣鈦礦的X射線光電能譜；

圖3 鈣鈦礦活性層的取向和無序程度表征

a）MAPbI_3-xCl_x鈣鈦礦的掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）的完整極圖；

b） MA(1Zn:100Pb)I_3-xCl_x鈣鈦礦的掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）的完整極圖；

c）（110）處MAPbI_3-xCl_x鈣鈦礦的高分辨率X射線衍射圖；

d）（110）處MA(1Zn:100Pb)I3-xClx鈣鈦礦的高分辨率X射線衍射圖；e）基于MAPbI_3-xCl_x峰隔離的傅立葉轉換技術，如沃倫 - 阿維巴赫分析；

f）MA(1Zn:100Pb)I_3-xCl_x沃倫 - 阿維巴赫分析，積分峰寬度接近于解耦相干長度；

圖4 平面內外鈣鈦礦結構分析

a）平面外圖式結構；

b）平面內圖式結構；

c）平面外鈣鈦礦MAPbI_3-xCl_x和 MA(1Zn:100Pb)I_3-xCl_x ；

d）平面內鈣鈦礦MAPbI_3-xCl_x和 MA(1Zn:100Pb)I_3-xCl_x；

e）電池中鈣鈦礦MAPbI_3-xCl_x ；

f）電池中鈣鈦礦MA(1Zn:100Pb)I_3-xCl_x，垂直方向和水平方向的接觸（MA+=綠色，Pb=黃色，鹵素=藍色，Pb:Zn=紅色）；

圖5 鈣鈦礦瞬態吸收和穩態光譜

a）MAPbI_3-xCl_x 和MA(1Zn:100Pb)I_3-xCl_x在不同激發波長出的瞬態吸收；

b）MA(Zn:Pb)I_3-xCl_x鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發光和衰減曲線；

圖?6?鈣鈦礦太陽能電池光電性能表征

a）MA(Zn:Pb)I_3-xCl_x鈣鈦礦基電池的J-V曲線；

b）最優電池最大功率穩定輸出測試；

c）MA(Zn:Pb)I_3-xCl_x基鈣鈦礦太陽能電池IPCE曲線及積分電流；

d）暗態下優化電池的J-V曲線。

注：本文獻圖片較多，只進行部分展示，詳細了解請點擊文獻鏈接

【小結】

在該項工作中，研究人員證明了通過調節Zn²⁺控制MAPbI_3-xCl_x 電子性能。離子替換抑制BX₆八面體，釋放晶格應力，導致晶格收縮，形成穩定有序的四方結構。交替的雜化鈣鈦礦使用 spiro-OMeTAD 空穴傳輸材料效率達到20.06%，使用poly-TPD空穴傳輸材料效率很穩定，達到的18.2%。調節晶體結構和鈣鈦礦組分改善薄膜質量和電池性能，該文章優化了新型鈣鈦礦和電荷選擇層。

文獻鏈接：Achieving Ordered and Stable Binary Metal Perovskite via Strain Engineering（Nano Energy, 2018 , DIO:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.047）

本文由材料人編輯部沈黎麗編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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