近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能以驚人的速度增長，經(jīng)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到25.2%，可與許多成熟的光伏技術(shù)相媲美，鈣鈦礦成為極具潛力的新一代光伏材料。然而，三維有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦的不穩(wěn)定性成為限制其商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。相較于傳統(tǒng)的三維有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦，二維有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦具有較好的穩(wěn)定性，是解決鈣鈦礦穩(wěn)定性問題的重要方法。但是大尺寸有機(jī)陽離子的引入，使得材料的載流子傳輸受限，導(dǎo)致二維有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。而且關(guān)于二維鈣鈦礦中激子遷移和分離的機(jī)制仍然是一個(gè)有爭議的問題。因此，探索開發(fā)更**的二維鈣鈦礦材料以及深刻理解電荷載流子的分離和傳輸機(jī)制對(duì)于進(jìn)一步提高二維鈣鈦礦太陽能電池的性能以及其日后商業(yè)化具有重要意義。

近日，南開大學(xué)劉永勝教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩種多環(huán)芳香族胺間隔陽離子，即1-萘甲胺陽離子（NpMA）和9-蒽甲胺陽離子（AnMA），制備了**率且高穩(wěn)定性的太陽能電池器件。研究發(fā)現(xiàn)在鈣鈦礦薄膜中，不同的層狀二維相和三維相共存。通過核磁共振氫譜分析，研究人員證實(shí)了有機(jī)間隔陽離子與無機(jī)層之間存在強(qiáng)氫鍵相互作用。通過對(duì)鈣鈦礦中的相分布和晶體取向的研究有助于深刻理解多環(huán)芳香族胺（NpMA和AnMA）對(duì)二維鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。研究人員通過使用高分辨率透射電子顯微鏡和超快速瞬態(tài)吸收光譜來研究二維鈣鈦礦的相分布和電荷載流子動(dòng)力學(xué)，二維相和三維相之間的超快激子遷移過程可以實(shí)現(xiàn)**的激子分離，電荷傳輸和收集。經(jīng)過優(yōu)化，基于NpMA-Pb的器件能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17.25％，是**報(bào)道的二維 RP鈣鈦礦太陽能電池(n < 5)的**率之一；獲得1.24 V的高開路電壓，是目前基于PEDOT：PSS的反式二維鈣鈦礦太陽能電池的更高值。基于AnMA-Pb的器件能量轉(zhuǎn)換效率為14.47%。此外，由于多環(huán)芳香族胺間隔陽離子的**疏水性以及有機(jī)間隔基陽離子（NpMA和AnMA）與無機(jī)層之間的強(qiáng)氫鍵相互作用，與三維鈣鈦礦太陽能電池相比，二維RP 鈣鈦礦太陽能電池顯示出**增強(qiáng)的穩(wěn)定性。相關(guān)成果近期以“Phase Distribution and Carrier Dynamics in Multiple-Ring Aromatic Spacers-Based Two-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells”發(fā)表在國際**期刊ACS Nano上。

本文開發(fā)了兩種用于二維RP鈣鈦礦太陽能電池的多環(huán)芳香族胺間隔陽離子(NpMA和AnMA)，并制備了**穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。由于二維相和三維相之間的超快激子遷移過程，基于(NpMA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=4）的器件顯示出1.24 V的高開路電壓，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17.25％；基于(AnMA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=4）的器件能量轉(zhuǎn)換效率為14.47%。同時(shí)，與三維鈣鈦礦太陽能電池相比，二維RP 鈣鈦礦太陽能電池顯示出**增強(qiáng)的穩(wěn)定性。該研究有助于深入理解二維RP鈣鈦礦太陽能電池的工作機(jī)制，并為進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性提供**的途徑。

文獻(xiàn)鏈接：

Phase Distribution and Carrier Dynamics in Multiple-Ring Aromatic Spacers-Based Two-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells （ACS Nano, 2020, https://doi. org/10.1021/acsnano.0c00875）