黃勁松團隊又一Nature Energy

【導讀】

得益于量子限域效應，二維鈣鈦礦不僅表現出獨特激子、自旋動力學，而且具有比三維鈣鈦礦更加優異的穩定性。這使其成為制備高穩定性鈣鈦礦太陽能電池的優秀候選者。然而，由于二維鈣鈦礦材料在垂直平面方向上較低的離子遷移率，二維鈣鈦礦通常要與三維鈣鈦礦配合組成鈣鈦礦太陽能電池的吸收層。這種策略實現了二維鈣鈦礦和三維鈣鈦礦的強強聯合，是實現鈣鈦礦太陽能電池最終應用的有效途徑。盡管二維/三維（2D/3D）鈣鈦礦組合的太陽能電池在低溫下表現出良好的工作穩定性，然而，其高溫下較差的穩定性一直是阻礙其應用的瓶頸。因此，探明2D/3D鈣鈦礦熱不穩定性的原因并尋找一種有效提升熱穩定性的策略是研究的重點。

【成果掠影】

近日，北卡羅萊納大學的黃勁松教授團隊在Nature Energy發表了新的研究論文，探明了常用的組成二維鈣鈦礦的銨鹽陽離子的高溫下的去質子化是2D/3D鈣鈦礦吸收層熱不穩定性的起源，并展示了使用具有大酸解離常數（pK_a）的陽離子可以顯著提升2D/3D鈣鈦礦層的熱穩定性。在本項研究中，作者首先確定了在FA_0.9Cs_0.1PbI₃鈣鈦礦薄膜中引起高溫不穩定性的源頭在于PEA⁺（苯甲銨）陽離子。進一步地，作者通過X射線衍射手段并結合理論分析，探明了PEA⁺離子在高溫下會發生去質子化，所得到的胺會消耗FA⁺（甲脒）生成PEAMA⁺從而導致器件高溫不穩定性。在此基礎上，作者提出并實驗證明了采用具有高pK_a的銨鹽陽離子（如PEAMA⁺和BAMA⁺）將顯著降低去質子化效應從而提升FA基鈣鈦礦薄膜的高溫穩定性。最后，作者展示了以FA_0.9Cs_0.1PbI₃為吸收層的鈣鈦礦太陽能電池在PEAMA⁺添加劑的輔助下，在85 ^oC經過1500小時光照仍能維持90%的效率，而參比器件在相同條件下經過800小時效率就下降至初始效率的90%。

相關研究文章以“Ammonium cations with high pK_a?in perovskite solar cells for improved high-temperature photostability”為題發表在Nature Energy上。

【核心創新點】

探明了導致2D/3D混合鈣鈦礦薄膜高溫不穩定的關鍵因素是組成2D鈣鈦礦的銨鹽陽離子的去質子化。通過巧妙的設計，采用具有大pK_a的陽離子顯著抑制了去質子化，從而提升了鈣鈦礦薄膜的高溫穩定性。

【數據概覽】

圖1.?含有PEA⁺添加劑的FA_0.9Cs_0.1PbI₃鈣鈦礦太陽能電池的穩定性隨溫度的變化。?2023 Springer Nature

圖2.?高溫光照下，添加和不添加PEA⁺的情況下FACs鈣鈦礦薄膜的相變。?2023 Springer Nature

圖3.??PEA⁺/FACsPbI₃薄膜中的化學反應。?2023 Springer Nature

圖4. PEAMA⁺的鈍化效果。?2023 Springer Nature

圖5.?器件的表征 ?2023 Springer Nature

【成果啟示】

本項研究為進一步提升2D/3D鈣鈦礦太陽能電池的高溫穩定性提出了新的思路。文章所提出的實驗思路對于提升鈣鈦礦發光二極管等工作溫度較高的鈣鈦礦器件同樣具有重要意義。

原文詳情：Mengru Wang, Zhifang Shi, Chengbin Fei, Zhewen J. D. Deng, Guang Yang, Sean P. Dunfield, David P. Fenning, Jinsong Huan, Ammonium cations with high pK_a?in perovskite solar cells for improved high-temperature photostability, Nature Energy, 2023.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01362-0

本文由NSCD供稿。 ???