導讀：本文首次報導了一種利用雙極性黑磷納米片材料作為鈣鈦礦電池的雙功能運輸材料的設計，能夠在電池中同時且快速的進行兩次界面載流子的提取，電池整體的效率從標件的16.9%上升到了最優解即雙黑磷界面電池的效率19.8%。這一方法可為將來器件的傳輸層提供一種更為可靠的選擇。
鈣鈦礦器件中常用的一些載流子傳輸層，仍由於一些光電不協調性，而期望能得到進一步的改善，如果能夠找到合適的材料與方法，可以更好的匹配鈣鈦礦的能級以及提升雙傳輸層的電荷傳輸。近來，層狀的黑磷成為可利用研究的二微納米材料，擁有著出色的可調諧光電能力，黑磷可作為極具吸引力的雙極性半導體，具有極高的電子和空穴遷移率對比常見的TiO2與一些空穴傳輸層材料有著不小的優勢，可以試著利用在光伏電池技術中。但是黑磷本身也有材料缺陷，可調直接帶隙取決於厚度，並伴隨有導帶和價帶的並發分裂，其電子結構也可能隨之受到應變。當選擇黑磷納米片材料時，它會受外部施加的電場的影響而改變旋轉角度，從而能夠尋找到更合適的機會來調節其電子結構。不僅如此，黑磷納米片的導帶和價帶可以通過調節其納米片的厚度來隨之調節納米片的導帶和價帶的位置，從而能夠使它的能級與各種太陽能電池的活性材料相匹配。如果能合理調控得當，即可以在鈣鈦礦的上下兩層的界面上應用，從而能提高太陽能電池的效率。
介於此背景，北卡羅來納大學的黃勁松教授等首次報導了一種利用雙極性黑磷納米片材料作為鈣鈦礦電池的雙功能運輸材料的設計，能夠在電池中同時且快速的進行兩次界面載流子的提取，將不同類型的傳輸層配備的電池效率對比實驗後發現，電池整體的效率從標件的16.9%上升到了最優解即雙黑磷界面電池的效率19.8%。雙納米片結構的電池能夠直接促進電子與空穴的有效提取，並且能夠增強光吸收，降低缺陷密度。相關文章以題目「Synergistic Cascade Carrier Extraction via Dual Interfacial Positioning of Ambipolar Black Phosphorene for High-Efficiency Perovskite Solar Cells」於5月14日發表在Advanced Materials上。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202000999
研究者選用Cs0.05MA0.16FA0.79Pb(I0.83Br0.17)作為光吸收材料，通過在冰浴下超聲處理溶解在異丙醇中的大量黑磷晶體，成功剝離了超薄黑磷納米片，通過TEM觀察納米片隨機而密集地堆積，並且保留了明顯的分層結構。
圖1.Si基板上滴鑄的黑磷納米片隨機密集堆積，根據TEM顯示為超薄狀
接著，為了解釋黑磷作為傳輸層的優越性，將其分別與單個傳輸層與鈣鈦礦的納米片作對比，使黑磷的溶液旋塗在介孔TiO2之上，通過旋塗的次數來實現與鈣鈦礦相匹配的能級，當黑磷的層數在3-4層時與標件作為對比，效率均有所提升，而1-2層時卻相反。BP-3的納米片塗層介孔TiO2與原始器件的相比，生長的鈣鈦礦晶粒分布尺寸更大,晶界的減小，也表示了黑磷能夠抑制器件的電荷複合。由於黑磷在鈣鈦礦中起著非均相形核中心的作用，同時也能輔助鈣鈦礦的生長，導致了鈣鈦礦薄膜的質量的提高。薄膜在整個可見光範圍內均有明顯的吸收增強作用，能夠提升電流。
圖2.被BP-3塗覆的介孔TiO2形貌表徵
圖3.引入了雙黑磷納米片BP-1/BP-3後與標件的對比器件表現圖
研究者利用二維材料黑磷並提出了雙界面調控，這個想法能夠很好的調整並獲得更為優秀的傳輸層，實現兩個傳輸層與鈣鈦礦層之間的能級對準，且由於黑磷的良好遷移率特性，大大提高了在相應界面處的載流子的提取與轉移，這一方法可為將來器件的傳輸層提供一種更為可靠的選擇。(文：kirin)
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