陕西师范大学刘生忠团队EES：气相熏蒸法制备高效且稳定的二维钙钛矿太阳能电池

【引言】

三维钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其极高的能量转换效率与易制备的特性而引起极大的关注，然而，它们的环境不稳定性一直是商业化的主要挑战。Ruddlesden–Popper二维钙钛矿材料具有很强的光化学稳定性，因而已经成功用于光伏与光电器件领域。二维钙钛矿材料的化学通式为(RNH₃)₂PbX₄，其中R是有机链，X是卤素，其是由插入在RNH₃有机势垒面之间的铅卤层所组成。与三维钙钛矿相比，二维材料通常采用的长链有机疏水阳离子使其具有更强的湿度稳定性。当二维网络结构的厚度降低至载流子德布罗意波长时，对电荷行为产生量子限域效应并形成典型的量子阱（QW）结构，这样使玻尔半径减半并使激子结合能急剧增大；与此同时，二维材料有机层与无机层之间的介电常数相差较大也大大增加了激子结合能，降低电荷解离几率。因此，迫切需要一种可靠的制备方法来制备出可替代当前二维钙钛矿的材料，以降低激子结合能和QW效应。

【成果简介】

近日，陕西师范大学刘生忠教授与宾夕法尼亚州立大学杨栋和Shashank Priya（共同通讯作者）合作采用气相熏蒸技术制备出一种甲氨基（MA）基二维钙钛矿薄膜。与传统的丁基胺二维钙钛矿相比，由于MA的高介电常数，使这种材料的激子结合能从510 eV显著地降低至172 eV。理论计算和实验分析表明基于MA的二维钙钛矿具有窄带隙、良好的导电性以及低陷阱密度等优点，该二维PSCs的能量转换效率（PCE）高达16.92%，由中国计量院认证的效率达16.6%，是迄今为止二维PSCs的最高效率。此外，器件在光照以及暴露在空气中时展现出卓越的长时间稳定性，在60 ℃的氩气环境下持续光照500小时，其效率可以保持为初始值的97.2%，即使在环境空气中光照测试500小时以上，未封装器件的PCE也仅仅降低3.8%。该研究成果以题为“Vapor-fumigation for record efficiency two-dimensional perovskite solar cells with superior stability”发表于著名能源期刊EES上

【图文导读】

图一 二维钙钛矿材料的制备与表征

（a）MA₂PbI₄钙钛矿薄膜的制备示意图
（b）BA₂PbI₄、PbI₂模板和MA₂PbI₄的XRD图谱
（c、d、e）分别表示BA₂PbI₄、PbI₂模板和MA₂PbI₄对应的SEM图
（f）PbI₂模板、BA₂PbI₄和MA₂PbI₄薄膜的吸收光谱与MA₂PbI₄的PL发射谱

图二 BA₂PbI₄和MA₂PbI₄的计算结构参数与电子结构

（a、d）BA₂PbI₄和MA₂PbI₄的结构示意图
（b、e、c、f）分别表示单层BA₂PbI₄和MA₂PbI₄和块体BA₂PbI₄和MA₂PbI₄的DOS分析

图三 二维钙钛矿器件表征

（a）BA₂PbI₄和MA₂PbI₄薄膜沉积在FTO衬底上的I-V特性曲线，插图为相关器件结构
（b）揭示V_TFL扭结点行为的MA₂PbI₄器件的暗态I-V曲线
（c）储存于不同时间间隔、湿度为70%环境下的MA₂PbI₄的XRD谱

图四 二维钙钛矿太阳能电池的制备与表征

（a）PSCs的结构示意图
（b）基于MA₂PbI₄完整器件的SEM截面图
（c）MA₂PbI₄太阳能电池在反向扫描和正向扫描的J-V曲线
（d）器件的积分电流和相应的EQE
（e）MA₂PbI₄太阳能电池在偏压为0.80 V下电流密度及PCE与时间之间的函数图像
（f）基于MA₂PbI₄器件的PCE分布直方图

图五 MA₂PbI₄太阳能电池的稳定性表征

（a）未封装的MA₂PbI₄太阳能电池在相对湿度为55%的黑暗环境下的长时间稳定性
（b）MA₂PbI₄器件在60 ℃不同气氛下的连续光照稳定性

【小结】

本文成功地采用气相熏蒸法制备出高PCE的二维MA₂PbI₄钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池无论处于黑暗还是光照下都展现出极佳的长期稳定性。该二维钙钛矿材料具有小的激子结合能、高的载流子隧穿概率以及对环境具有强的抵抗性等优点是拥有如此突出的光电性能的主要原因。高的能量转换效率和稳定性表明该方法有望为制备高质量二维钙钛矿的潜在商业应用提供一条可行的路径。

文献连接：Vapor-fumigation for record efficiency two-dimensional perovskite solar cells with superior stability（EES, 2018, DOI: 10.1039/c8ee02284d）

【团队介绍】

刘生忠教授和杨栋研究员团队是较早从事钙钛矿光电器件研究的团队之一。在平面型钙钛矿电池和柔性钙钛矿电池方面，均先后几次报道了领域最高效率 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。特别是采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，平面异质结电池效率超过了20%；发展了优质的TiO₂和Nb₂O₅电子传输层的低温沉积工艺，制备的柔性钙钛矿电池效率达到18.4%。同时，团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿，材料牛整理编辑。

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