Nature Nanotechnology：光誘導下二維鈣鈦礦太陽能電池的效率突變

金也 2年前 (2021-12-04) 1895瀏覽

【引言】

目前大多數報道的二維鈣鈦礦結構是由一堆納米厚的混合鈣鈦礦層的化學組裝形成的，并且由大量的絕緣有機間隔陽離子(如烷基銨或噻吩基、苯基和環己基單價陽離子)隔開，被稱為Ruddlesden-Popper (RP)相二維鈣鈦礦。這種絕緣的間隔陽離子和不充分的晶體填充導致了純二維鈣鈦礦太陽能電池效率低下。

近期有研究表明使用短間隔的雙陽離子，如哌啶(4AMP)或小陽離子的混合物，如胍(GA)和MA來取代丁基銨(BA)，可以形成不同晶體結構的二維雜化鈣鈦礦，如Dion -Jacobson (DJ)和交替陽離子層間(ACI)二維鈣鈦礦，并且獲得的層間距離遠小于RP相二維鈣鈦礦。這種新型的二維鈣鈦礦的I-I的距離可以小到4 ?，遠小于RP相二維鈣鈦礦的7 ?。此外，DJ結構中的短陽離子層的堆積形成了完美的重疊排列，可以實現直接面對面穿過有機中間層的碘原子之間產生了顯著的電子耦合，有望實現更高的電池效率。此外，如果能夠進一步通過外界刺激增強有機間隔層之間的鈣鈦礦層之間的電子耦合，將可以顯著增強二維雜化鈣鈦礦中的電荷輸運，有望并彌補2D和3D鈣鈦礦之間的效率差距。

【研究進展】

近日，美國萊斯大學的Aditya D. Mohite和Jean-Christophe Blancon（共同通訊作者）在Nature nanotechnology上發表了一篇題目為“Light-activated interlayer contraction in two-dimensional perovskites for high-efficiency solar cells”的文章。研究者發現通過對DJ結構的二維雜化鈣鈦礦進行連續光照可以導致其在平面外方向層間距上發生>1%的收縮，從而實現二維鈣鈦礦太陽能電池在持續光照條件下的效率突變。為了研究這個現象的原因，作者通過X射線光電子能譜測量分析表明，在恒定的光照下將導致終端碘原子中的正電荷積累，從而增強了層狀I-I間的鍵合作用，并激活了二維鈣鈦礦的面外收縮。研究者進一步通過相關電荷輸運、結構和光伏測量證實了光誘導收縮可以實現二維鈣鈦礦的載流子遷移率和電導率的同步增加。因此基于這種光致面外層間收縮的效應，研究者實現了這類二維鈣鈦礦太陽能電池在持續光照下的光伏效率從15.6%突變到18.3%。

【圖文簡介】

圖1 連續光照下DJ (n=3)鈣鈦礦結構的演化

  1. GIWAXS原位實驗示意圖和晶體粉末衍射圖；
  2. 光照前后以及樣品在黑暗中靜置數小時后對應的角積分衍射光譜；
  3. 具有衍射平面和米勒指數的DJ n = 3結構；
  4. 平面外(a軸)、平面內(b軸、c軸，b≈c)點陣參數在光照下的對應演化;
  5. 光致晶格收縮的概述;
  6. DJ n = 3單晶衍射光譜隨光照時間的變化。

圖2 光致收縮的機械起源

  1. 三種不同超晶格填料和不同類型有機間隔陽離子、不同層間間距長度的二維鈣鈦礦的結構；
  2. 連續光照下DJ n = 3、ACI n = 3、RP n = 3的面外和面內布拉格峰法向應變的演變;

c-d. 照明前后(照明前后)DJ n = 3 (c)和RP n = 3鈣鈦礦的XPS譜;

? ? ? e. 左邊的圖是領先的4f核心水平，右邊的圖是碘化的3d核心水平。在RP光譜中，可以觀察到金屬鉛，并用Pb0標記。

圖3 層間距離和能帶結構

  1. 描述二維鈣鈦礦中光誘導晶格收縮起源的示意圖。該模型表明，位于I原子上的光激發空穴(左圖的Δ+符號)通過減少有機間隔陽離子上碘原子之間的I-I距離來驅動層間收縮；
  2. 恒定光照下有效層間距離縮短的演化；
  3. DFT計算了DJ n = 3帶結構與正電荷載流子(空穴)注入的關系。

圖4 電子遷移率隨光照明的變化函數

  1. 僅電子器件的電流-電壓隨光照時間在太陽強度下的變化；

b-c. 對應電導率的變化和電子遷移率隨光照明的變化函數；

? ? ? d. 依賴光強度(以太陽數為單位)的電子遷移率SCLC測量；

? ? ? e. 逆t0、滲透閾值時間與入射光強的對應關系；

? ? ? f. 在不同光強下，電子遷移率隨捕獲光生空穴的變化而變化。

圖5 連續光照對2D鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

  1. 電池結構；
  2. 在現場GIWAXS衍射中，在DJ器件中測量了恒定AM 1.5太陽強度照明下太陽能電池電流-電壓特性的演化；
  3. 相應的結構變化。垂直虛線表示太陽能電池性能大幅提高的時間。水平虛線表示光照明前的層間距離；
  4. 采用DJ、ACI和RP三種二維鈣鈦礦相對三種二維鈣鈦礦太陽能電池進行光照前后10分鐘的電流-電壓特性研究；
  5. 太陽電池性能值隨光照時間變化的相應演化。PCE，功率轉換效率。

【小結】

研究者證明通過選擇合適的層間陽離子和利用二維雜化鈣鈦礦對外部刺激的急性敏感性，可以克服平面外方向的帶隙不連續性，并實現更接近3D鈣鈦礦的電荷輸運特性。其次，這些結果為理解和調整新的輕物質相互作用鋪平了道路，在類似于二維過渡金屬二鹵類化合物中探索中，當激發耦合可能存在于層狀鈣鈦礦中短鏈有機陽離子。

文獻鏈接: Light-activated interlayer contraction in two-dimensional perovskites for high-efficiency solar cells. Nature Nanotechnology, 2021, doi: 10.1038/ s41565-021-01010-2.

分享到