陜西師范大學劉生忠團隊EES：氣相熏蒸法制備高效且穩定的二維鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

三維鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）由于其極高的能量轉換效率與易制備的特性而引起極大的關注，然而，它們的環境不穩定性一直是商業化的主要挑戰。Ruddlesden–Popper二維鈣鈦礦材料具有很強的光化學穩定性，因而已經成功用于光伏與光電器件領域。二維鈣鈦礦材料的化學通式為(RNH₃)₂PbX₄，其中R是有機鏈，X是鹵素，其是由插入在RNH₃有機勢壘面之間的鉛鹵層所組成。與三維鈣鈦礦相比，二維材料通常采用的長鏈有機疏水陽離子使其具有更強的濕度穩定性。當二維網絡結構的厚度降低至載流子德布羅意波長時，對電荷行為產生量子限域效應并形成典型的量子阱（QW）結構，這樣使玻爾半徑減半并使激子結合能急劇增大；與此同時，二維材料有機層與無機層之間的介電常數相差較大也大大增加了激子結合能，降低電荷解離幾率。因此，迫切需要一種可靠的制備方法來制備出可替代當前二維鈣鈦礦的材料，以降低激子結合能和QW效應。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學劉生忠教授與賓夕法尼亞州立大學楊棟和Shashank Priya（共同通訊作者）合作采用氣相熏蒸技術制備出一種甲氨基（MA）基二維鈣鈦礦薄膜。與傳統的丁基胺二維鈣鈦礦相比，由于MA的高介電常數，使這種材料的激子結合能從510 eV顯著地降低至172 eV。理論計算和實驗分析表明基于MA的二維鈣鈦礦具有窄帶隙、良好的導電性以及低陷阱密度等優點，該二維PSCs的能量轉換效率（PCE）高達16.92%，由中國計量院認證的效率達16.6%，是迄今為止二維PSCs的最高效率。此外，器件在光照以及暴露在空氣中時展現出卓越的長時間穩定性，在60 ℃的氬氣環境下持續光照500小時，其效率可以保持為初始值的97.2%，即使在環境空氣中光照測試500小時以上，未封裝器件的PCE也僅僅降低3.8%。該研究成果以題為“Vapor-fumigation for record efficiency two-dimensional perovskite solar cells with superior stability”發表于著名能源期刊EES上

【圖文導讀】

圖一 二維鈣鈦礦材料的制備與表征

（a）MA₂PbI₄鈣鈦礦薄膜的制備示意圖
（b）BA₂PbI₄、PbI₂模板和MA₂PbI₄的XRD圖譜
（c、d、e）分別表示BA₂PbI₄、PbI₂模板和MA₂PbI₄對應的SEM圖
（f）PbI₂模板、BA₂PbI₄和MA₂PbI₄薄膜的吸收光譜與MA₂PbI₄的PL發射譜

圖二 BA₂PbI₄和MA₂PbI₄的計算結構參數與電子結構

（a、d）BA₂PbI₄和MA₂PbI₄的結構示意圖
（b、e、c、f）分別表示單層BA₂PbI₄和MA₂PbI₄和塊體BA₂PbI₄和MA₂PbI₄的DOS分析

圖三 二維鈣鈦礦器件表征

（a）BA₂PbI₄和MA₂PbI₄薄膜沉積在FTO襯底上的I-V特性曲線，插圖為相關器件結構
（b）揭示V_TFL扭結點行為的MA₂PbI₄器件的暗態I-V曲線
（c）儲存于不同時間間隔、濕度為70%環境下的MA₂PbI₄的XRD譜

圖四 二維鈣鈦礦太陽能電池的制備與表征

（a）PSCs的結構示意圖
（b）基于MA₂PbI₄完整器件的SEM截面圖
（c）MA₂PbI₄太陽能電池在反向掃描和正向掃描的J-V曲線
（d）器件的積分電流和相應的EQE
（e）MA₂PbI₄太陽能電池在偏壓為0.80 V下電流密度及PCE與時間之間的函數圖像
（f）基于MA₂PbI₄器件的PCE分布直方圖

圖五 MA₂PbI₄太陽能電池的穩定性表征

（a）未封裝的MA₂PbI₄太陽能電池在相對濕度為55%的黑暗環境下的長時間穩定性
（b）MA₂PbI₄器件在60 ℃不同氣氛下的連續光照穩定性

【小結】

本文成功地采用氣相熏蒸法制備出高PCE的二維MA₂PbI₄鈣鈦礦太陽能電池，該太陽能電池無論處于黑暗還是光照下都展現出極佳的長期穩定性。該二維鈣鈦礦材料具有小的激子結合能、高的載流子隧穿概率以及對環境具有強的抵抗性等優點是擁有如此突出的光電性能的主要原因。高的能量轉換效率和穩定性表明該方法有望為制備高質量二維鈣鈦礦的潛在商業應用提供一條可行的路徑。

文獻連接：Vapor-fumigation for record efficiency two-dimensional perovskite solar cells with superior stability（EES, 2018, DOI: 10.1039/c8ee02284d）

【團隊介紹】

劉生忠教授和楊棟研究員團隊是較早從事鈣鈦礦光電器件研究的團隊之一。在平面型鈣鈦礦電池和柔性鈣鈦礦電池方面，均先后幾次報道了領域最高效率 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。特別是采用獨特的界面修飾方法和雙源共蒸法，平面異質結電池效率超過了20%；發展了優質的TiO₂和Nb₂O₅電子傳輸層的低溫沉積工藝，制備的柔性鈣鈦礦電池效率達到18.4%。同時，團隊研發了鈣鈦礦單晶生長新方法，成功制備了超大尺寸鈣鈦礦單晶，各方面指標均領先領域先進水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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