南科大開發出新型的層狀鈣鈦礦結構

2022-01-13 新材料資訊

近日，南方科技大學電氣與電子工程系副教授Aung Ko Ko Kyaw課題組開發了一種新型的層狀鈣鈦礦結構，以同時提高穩定性和效率。這項研究由南科大團隊獨立完成，研究成果發表在能源領域著名期刊《納米能源》（Nano Energy）。

基於有機-無機金屬滷化鈣鈦礦的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）在光伏研究方面取得了巨大進展。PSC的能量轉換效率（PCE）已超過25%，與單晶矽太陽能電池相當。對於如此高的效率，PSC可以在僅考慮效率的情況下為商業化做好準備。然而，器件在工作條件下具有較低穩定性，這仍然是其市場佔有率面臨的主要挑戰。鈣鈦礦在潮溼、氧氣、高溫和光照下容易分解，因此構築穩定結構的鈣鈦礦已成為技術瓶頸。近年來，2D層狀鈣鈦礦比3D鈣鈦礦表現出更好的穩定性，但這種穩定性的提高是以犧牲效率為代價的。因此，如何在不犧牲效率的情況下提高穩定性是該研究領域的另一個挑戰。

在創新方法中，2D-3D複合材料由「局域2D-3D異質結（L2D-3DH）」結構構築，其中Dion-Jacobson（DJ）相2D鈣鈦礦選擇性生長在3D鈣鈦礦的局部區域，特別是在晶界。與傳統的2D-3D複合材料結構如覆蓋結構和穿插結構相比，L2D-3DH結構具有許多優點。在覆蓋結構中，由於有機間隔陽離子的低遷移率，水平取向的2D鈣鈦礦在3D鈣鈦礦上的全覆蓋抑制電荷傳輸。在穿插結構中，電荷載流子可以通過垂直取向2D鈣鈦礦的無機平板傳輸，但控制垂直取向的過程複雜且困難。相比之下，晶體取向在L2D-3DH結構中並不是關鍵，因為由於2D片的部分覆蓋，電荷載流子可以有效地通過3D的暴露區域傳輸。因此，L2D-3DH結構不會阻礙電荷傳輸，同時消除了垂直晶體取向的複雜過程。

圖1. 不同結構2D-3D複合材料中的晶體取向和電荷傳輸

有趣的是，由於穩定的DJ相鈣鈦礦，部分覆蓋2D鈣鈦礦可以有效地防止水分滲透。採用L2D-3DH結構製備的鈣鈦礦薄膜在70%的高溼度下存放90天後仍保持完整，但純3D鈣鈦礦薄膜存放17天後開始降解。此外，L2D-3DH結構不影響器件效率，但覆蓋結構由於電荷傳輸效率低而使器件效率降低。事實上，L2D-3DH結構甚至提高了器件效率，因為DJ 2D片通過鈍化降低了陷阱密度並抑制了非輻射複合。因此，具有L2D-3DH結構的PCE達到20.1%，且無封裝器件在高溼度（70%）下存放1300小時後，仍能保持初始效率的86%。

圖2. （a-c）基於純3D、L2D-3DH和2D-3D鈣鈦礦器件的J-V特徵曲線；（d-e）鈣鈦礦薄膜和器件在70%溼度下的穩定性測試。

Aung Ko Ko Kyaw為論文的唯一通訊作者。Aung Ko Ko Kyaw課題組博士後李文輝為第一作者。博士研究生顧曉宇和單成偉對論文有重要的貢獻。南科大是論文第一單位。 

此前，研究團隊還與南京工業大學教授李公強合作，通過使用3-氟苄基碘化銨（3FBAI）作為大體積陽離子構築準2D鈣鈦礦來獲得高效穩定的PSC。在3FBAI陽離子的作用下，準2D鈣鈦礦薄膜呈現垂直取向，且晶界較少，幾乎沒有針孔。此外，準2D鈣鈦礦的製備是在溼度控制的環境空氣中進行的（旋塗工藝為RH 20%，退火工藝為RH 70-90%），與目前文獻報導的其它準2D鈣鈦礦相比顯示出更多的優勢，其中，低維鈣鈦礦的製備通常需要在惰性氣體手套箱中進行。這項工作為在溼度控制的環境空氣中通過簡單易行的工藝製備高質量的準2D鈣鈦礦薄膜奠定了基礎，對未來低成本PSC的工業化很具吸引力。研究結果發表在Chemical Engineering Journal，Aung Ko Ko Kyaw為論文的通訊作者，課題組研究助理賴雪為論文第一作者。南京工李公強和南科大化學系教授何鳳為論文的共同通訊作者。南科大是論文第一單位。

圖3.（a）準2D鈣鈦礦晶體結構示意圖；（b）準2D鈣鈦礦的GIWAXS圖案；（c）無針孔準2D薄膜的SEM圖；（d）準2D基PSC的J-V特徵曲線。 

除新型的鈣鈦礦結構外，課題組還與南科大孫小衛教授和王愷副教授的課題組合作，研究鈣鈦礦中的非故意摻雜，該摻雜源於工藝條件的變化，及其對器件性能的影響。研究發現，晶化過程中的退火時間和溫度會導致鈣鈦礦中的非故意摻雜，由於費米能級移動而改變鈣鈦礦和電荷傳輸層之間界面的內建電場。根據他們的發現，遠離光入射側的界面處的強電場對於有效地提取電荷以改善器件性能非常重要。這一現象適用於正置（n-i-p）結構和反置（p-i-n）結構器件，可作為提高所有器件結構性能的通用策略。研究成果發表在Advanced Science並被選為底封面。課題組研究助理教授吳丹（現為深圳技術大學助理教授）、Aung Ko Ko Kyaw課題組博士後李文輝和王愷課題組研究助理劉皓宸為論文共同一作。Aung Ko Ko Kyaw、吳丹和王愷為論文共同通訊作者。

圖4. （a-c）反置結構和（d-f）正置結構界面電場增強電荷提取示意圖。

以上研究工作得到了廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣東省普通高校量子點先進顯示與照明重點實驗室和廣東省教育廳高校創新基金的資助。

來源：南方科技大學

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106666 

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130949 

https://doi.org/10.1002/advs.202101729 

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