近日，電子科技大學材料與能源學院劉明偵教授團隊在國際著名期刊ACS Energy Letters（《美國化學學會能源快報》）上發表題為「Effects of Alkyl Chain Length on Crystal Growth and Oxidation Process of Two-Dimensional Tin Halide Perovskites」（烷基鏈長對二維錫滷鈣鈦礦晶體生長與氧化過程的影響）的研究論文。材料與能源學院為論文第一通訊單位，劉明偵教授為唯一通訊作者，副研究員李發明和碩士研究生謝毅然為共同第一作者。
發展可持續能源是當今環境科學研究的熱點，鈣鈦礦太陽能電池由於其優越的光電性能、低廉的製造成本以及可媲美矽基光伏電池的光電轉換效率受到了越來越多的關注。圖一為鈣鈦礦太陽能電池結構，主要包含電荷傳輸層和光吸收層，其中光吸收層採用具有ABX3結構的鈣鈦礦材料。在眾多鈣鈦礦材料中，FASnI3鈣鈦礦由於錫的低毒性，且擁有更窄的光學帶隙和更高的載流子流動性，成為了開發高性能無鉛鈣鈦礦太陽能電池的良好選擇。但是Sn2+在空氣中不穩定，會自發氧化成Sn4+，這一過程會破壞鈣鈦礦結構的電中性和穩定性。為了解決這一問題，引入有機間隔陽離子來提高鈣鈦礦穩定性和器件性能已成為解決問題。有機間隔陽離子的大小和結構對鈣鈦礦的性質有顯著的影響。然而，有機間隔陽離子在調節晶體取向和保護Sn2+不被氧化方面的作用尚不清楚，這阻礙了錫基鈣鈦礦的發展。
圖一 錫基鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖和SEM截面圖
在該論文中，研究者通過應用烷基胺間隔陽離子（丁胺離子CH3(CH2)3NH3+、辛胺離子CH3(CH2)7NH3+和十二胺離子CH3(CH2)11NH3+）設計了具有不同烷基鏈長度的二維錫基鈣鈦礦。圖二描述了二維錫基鈣鈦礦薄膜的製備過程、晶體形貌特徵。研究人員證明了不同烷基鏈長度對二維錫基鈣鈦礦薄膜的晶體取向、尺寸和生長分布有顯著影響。在圖二中，利用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）表徵發現，烷基鏈較短的陽離子更有利於產生高度定向和有序生長分布的晶粒，並且會促進二維錫基鈣鈦礦薄膜的晶體垂直生長。較長的烷基鏈則會促進晶體平行生長，而垂直生長的晶體有利於抑制Sn2+的氧化，改善載流子的輸運。
圖二 鈣鈦礦薄膜的GIWAXS圖像以及鈣鈦礦BA2FAn-1SnnI3n+1在n=2和n=4的(020)與(111)晶面平面示意圖
再結合光致發光（PL）光譜和紫外可見吸收光譜（UV-Vis）表徵發現，鈣鈦礦薄膜層的上下表面晶體尺寸和生長分布不同，如圖三所示。另外，採用短烷基鏈的有機間隔陽離子，如丁胺離子，也提供了優異的光伏器件性能。該項研究揭示了烷基鏈長度在穩定錫基鈣鈦礦薄膜中發揮著重要作用，為深入理解二維鈣鈦礦薄膜的取向生長提供了重要依據。
圖三鈣鈦礦薄膜的PL圖和UV-Vis圖以及鈣鈦礦薄膜的晶體生長示意圖
ACS Energy Letters刊登的研究成果涉及能源轉換和存儲的所有方面，報告領域內取得的重大進展。劉明偵教授團隊主要從事新能源材料及光電子器件研究，主要研究方向有高效率有機-無機雜化、全無機、無鉛錫基鈣鈦礦太陽能電池以及鈣鈦礦發光和探測器器件的的研發和應用。近年來，該團隊已在Nano Energy, iScience, Journal of Materials Chemistry A, Advanced Science等國際著名期刊上發表多篇論文。
來源 電子科技大學新聞中心
論文連接：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00286
團隊主頁連結：
http://optoelectronics.uestc.edu.cn/
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