大連理工大學AEM: 效率15.05％！具有反向量子阱分布的高穩定2D鈣鈦礦太陽能電池

近日，大連理工大學趙紀軍教授課題組在新型太陽能電池研究領域再獲新成果。他們首次發現具有反向量子阱（QW）分布的一系列二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦材料（2D-RPPs），并成功使用該材料制備太陽能電池。該電池器件穩定性高，能量轉換效率高達15.05%。迄今為止，是已報道的具有正式結構的甲胺系（MA）二維鈣鈦礦太陽能電池中的最高紀錄。

該成果投稿后迅速得到國際能源類頂級期刊Advanced Energy Materials（IF：21.875）審稿人和編輯部的高度評價，并被選為以封面文章的形式發表。文章的第一作者為大連理工大學的魏一老師。

?近年來，有機-無機金屬雜化鈣鈦礦材料因其可調的帶隙，高吸收系數，長載流子擴散長度，低缺陷態密度等特性受到了廣泛的關注。短短幾年中，光電轉換效率就已經超過23%。為了實現其商業化應用，如何在兼顧高效率的同時增強鈣鈦礦太陽能電池的穩定性成為目前亟待解決的問題。

研究中所制備的2D-RPPs結構為（CMA）₂（MA）_n-1Pb_nI_{3n + 1}（MA為CH₃NH₃?⁺，CMA?為C₆H₁₁CH₂NH₃?⁺，n = 1，2，3 ......），采用環己甲胺（CMA）為間隔陽離子。與先前報道的RPP不同，這種新鈣鈦礦材料的沉積膜表現出反向量子阱（QW）分布的多個相：即小n值的相主要分布在薄膜表面而大n值相集中在薄膜底部。這種分布結構具有以下三個優點：（1）分布在表面具有更強抗濕性的小n值成分可作為屏障，保護脆弱的大n值成分免受水分子的侵蝕。（b）不同相之間組成了第二型能級排布，有利于自驅動電荷的傳輸。（c）獨特的階梯狀量子阱分布拓寬了光子吸收范圍，尤其增強了短波處的吸收。由于這些特性，基于環己甲胺的正式平面二維鈣鈦礦太陽能電池取得了1.10 V的高開路電壓，達到了15.05%的能量轉換效率！迄今為止，這一結果是已報道的具有正式結構的甲胺系（MA）二維鈣鈦礦太陽能電池中的最高效率。

由于這一特殊結構，環己甲胺二維鈣鈦礦薄膜表現出了超高濕度穩定性。未封裝電池器件在相對濕度40%-70%的測試環境下，歷經4600小時仍保有初始效率的95%以上。相比之下，常規三維鈣鈦礦電池在2000小時后就已完全失效。環己甲胺二維鈣鈦礦薄膜和器件優異的穩定性除了歸功于疏水的環己甲胺基團外，更是因為薄膜中獨一無二的反向量子阱相分布。使得表面的小n值成分阻隔了水分子對整個電池的侵蝕，穩固了整個鈣鈦礦晶體體系。

這種材料薄膜的制備方法簡單，光電性能優。可在常溫室內環境下，通過旋涂法直接形成高品質的薄膜，無需熱澆筑、添加劑等復雜工藝輔助。在未來產業化應用中，有十分重要的前景。

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《Advanced Energy Materials》是材料，能源，環境領域的頂尖期刊，專門報道環境能源領取最具有創新性與實用性的科學發現。期刊在Google能源&燃料學科領域所有雜志中排名第三，在化學與物理領域排名第三，在材料大學科中排名第七。影響因子為21.875。

論文原文：Wei,?Y.,?Chu, H.,?Zhao, J.*?et al.?Reverse-Graded 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient Air-Stable Solar Cells. AEM 2019.

DOI:10.1002/aenm.201900612

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201900612

通訊作者、第一作者介紹：

趙紀軍：

http://faculty.dlut.edu.cn/zhaojj/zh_CN/index.htm

魏一：

http://faculty.dlut.edu.cn/wy/zh_CN/index.htm

本文由大連理工大學趙紀軍教授課題組供稿。

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