西交大科研人員實現高效穩定二維鈣鈦礦太陽能電池

2021-01-17 西安交大新聞網

近年來，儘管3D有機-無機雜化鈣鈦礦取得了飛速發展，但是依然存在長期穩定性困擾，極大地阻礙了其商業化道路。Ruddlesden-Popper（RP）相是二維層狀鈣鈦礦中最常見的一種結構，具有很多重要的應用。研究人員將其定義為(A』)2(A)n−1PbnX3n+1（A』=間隔陽離子，A=籠狀陽離子，X=滷化物陰離子)。研究最多的用於太陽能電池的RP 2D鈣鈦礦一般採用正丁基銨(BA)或2-苯基乙基銨(PEA)等有機材料。然而，我們可以更合理地設計多功能有機材料來調節無機層之間的範德瓦爾斯力和氫鍵作用。

低溫自組裝薄膜的取向控制是關係到能否控制載流子垂直於襯底的輸運的根本問題。我校研究人員從分子角度設計新的化學衍生物，其使用一種新型的具有共軛主鏈的間隔基陽離子3-苯基-2-丙烯銨(PPA)，並作為一種低溫策略來組裝更高效的太陽能電池。首先用X射線衍射法對(PPA)2(FA0.5MA0.5)n−1PbnI3n+1(n=2和3，C2空間群)單晶的晶體結構進行了解析，然後使用混合滷化物(PPA)2(Cs0.05(FA0.88MA0.12)0.95)n-1Pbn(I0.88Br0.12)3n+1類似物來獲得更高效的器件。在形成RP相的同時，PPA與無機八面體之間的多重氫鍵強化了層狀結構。對於薄膜，研究人員觀察到隨著目標層厚度指數從n=2增加到n=4時，隨著高n或3d相的增加，逐漸實現了無機層的較低水平擇優取向，同時自由電荷載流子流動和垂直於襯底的導電性得到有效改善。結果顯示，利用PPA-RP鈣鈦礦製備的平面p-i-n太陽電池的效率為14.76%，同時在85 ℃、85%溼度條件下，封裝600 h後仍保持了93.8±0.25%的效率(ISOS-D-3)。該項工作表明，雙功能分子調控策略為高效穩定鈣鈦礦薄膜的設計開闢了新的途徑，為未來設計兼具高效且高穩定鈣鈦礦器件提供了一個具有參考價值的新策略。

該項研究工作以「Alternative Organic Spacers for More Efficient Perovskite Solar Cells Containing Ruddlesden-Popper Phases」為題近日發表在國際期刊 J. Am. Chem. Soc上。郗俊博士為文章第一作者，西安交通大學吳朝新教授和美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis為共同通訊作者，西安交通大學和美國西北大學為共同通訊作者單位。該工作得到自然科學基金委項目等的支持。

論文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c09647

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