黄维院士Nature Energy: 纯相二维层状钙钛矿太阳能电池

【研究背景】

二维Ruddlesden-Popper层状金属卤化物钙钛矿，具有理想的光电性能和良好的环境稳定性，有望成为实现环境稳定且高性能的钙钛矿电池的候选材料。目前，基于液相法制备的二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿薄膜均由多相混合量子阱结构组成，即目标量子阱结构与实际获得的相结构有很大不同。尽管钙钛矿前驱体溶液是严格按照化学计量比的方式配置，也难以在沉积的过程中直接形成目标设计的纯相量子阱薄膜。薄膜中夹杂的其他多相钙钛矿成分对钙钛矿器件的性能和稳定性都有极大的负面影响。同时，二维本征结构的光物理性质被其他混杂相尤其是三维相所掩盖。研究人员一直致力于制备纯相二维钙钛矿薄膜，但是到目前为止还无法实现。

【研究进展】

近日，西北工业大学的黄维院士团队（通讯作者：西北工业大学的黄维院士、南京工业大学陈永华教授和澳门大学邢贵川教授）首次报道了一系列不同量子阱宽度的纯相二维Ruddlesden-Popper钙钛矿薄膜及其高效的钙钛矿太阳能电池应用，研究成果发表在世界顶级期刊Nature Energy上，文章题目为“Two-dimensional Ruddlesden–Popper layered perovskite solar cells based on phase-pure thin films”。合作团队创新性地使用一种离子液体有机胺盐(butylammonium acetate，BAAc,乙酸丁胺)，实现前驱体溶液离子配位和分子间相互作用有效调控，获得择优生长的微米级二维层状钙钛矿晶体，实现了有效的载流子分离和电荷传输，最终得到了优异的太阳能电池光电转换效率。同时，纯相量子阱结构使得二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿太阳能电池的稳定性显著提高。该方法成功地为二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿光电器件的性能和稳定性进一步提升提供了新思路，为探索二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿本征光物理性质提供了可能。

【图文简介】

图1 基于多重量子阱(MQWs)和相纯QWs的层状钙钛矿薄膜的光学特性

(a-h) 使用传统的碘化丁胺（BAI）和乙酸丁胺（BAAc）离子液体作为间隔阳离子源实现不同量子阱宽度的二维层状钙钛矿薄膜的光学性能表征（瞬态吸收光谱a，b；稳态吸收光谱c，d；稳态荧光光谱e，f）和结构示意图（g，h）

图2基于MQWs和相纯QWs的层状钙钛矿薄膜结构特征

(a,b) 不同平均阱宽<n>的MQW薄膜(a)和相纯QW薄膜(b)的x射线衍射谱；

(c,d) MQW薄膜和相纯QW薄膜GIWAXS图像；

(e,f) MQW薄膜和相纯QW薄膜的扫描电镜图像。

图3 探讨相纯QWs的形成机制

(a) 动态光散射显示了用BAI和BAAc制备的前驱体溶液中的粒径分布；

(b) BAAc和溶解了PbI₂的BAAc的衰减全反射傅立叶变换红外光谱；

(c) 用BAI和BAAc制备溶液，在Pb L3边缘采集x射线吸收光谱；

(d, e) 用BAI (d)制备的前驱体溶液和用BAAc (e)制备的前驱体溶液在Pb L3边缘处r空间的扩展x射线吸收精细结构光谱；

(f) ¹H NMR谱。

图4 基于MQWs和纯相QWs的PSCs光伏特性及稳定性研究

(a) 横断面扫描透射电子显微镜图像；

(b) 最佳PSCs的J-V曲线；

(c) 稳态功率输出和电流输出；

(d) IPEC测试；

(e-g) 稳定性测试。

【小结】

该报道研究表明，通过引入熔盐间隔层可以克服传统的纯相QW薄膜制备的限制。高质量的纯相QW薄膜具有微观取向排列的晶体结构，获得了高效稳定的PSC。与传统的全无机QWs真空沉积相比，这种纯相QWs具有溶液加工，低温制造和原子层精度等优势。其良好的稳定性、独特的结构和光电性能，该研究不仅有助于发展太阳能电池还对其他钙钛矿基光电器件，如探测器、发光二极管和激光器具有重要的研究价值。

文献链接：Two-dimensional Ruddlesden–Popper layeredperovskite solar cells based on phase-pure thin films, 2020, Nature energy, doi: 10.1038/s41560-020-00721-5.

团队介绍

黄维，中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。教授、博导，有机电子、塑料电子、印刷电子、生物电子及柔性电子学家。黄维院士是“长江学者”特聘教授，国家“杰出青年科学基金”获得者，国家高层次人才计划入选者，“973”项目首席科学家。亚太地区工程组织联合会（FEIAP）主席，俄罗斯科学院名誉博士、英国谢菲尔德大学名誉博士，英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、三次获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖，以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”等，成果入围中国“高等学校十大科技进展”。黄维院士在柔性电子学、特别是有机电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果，以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics以及Nature Communications等国际主流SCI学术期刊发表研究论文760余篇，h因子为131，国际同行引用逾80000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项，出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。

陈永华，南京工业大学先进材料研究院，教授、博士生导师，先进能源材料所所长。入选国家海外高层次人才计划，获得江苏省特聘教授和江苏省杰出青年基金项目。长期围绕有机及钙钛矿光电材料与器件的关键科学问题，开展高效稳定光电器件的研究工作。近年来，在有机及钙钛矿光电材料与器件领域发表论文100余篇，包括Nature Photonics、 Nature Energy、 Nature Communications、Chem、Chemical Society Review、Advanced Materials、Light: Science & Applications、 Nano Letters、Angewandte Chemie International Edition等，多篇高被引论文。申请/授权中国专利11项、美国专利1项。主持多项国家和省部级基金项目。

邢贵川，澳门大学，教授。主要从事低维纳米材料与新型光电功能材料的非线性光学与超快光谱学研究。旨在探索材料本身及其在器件中的光电子应用工作机理、并反馈指导材料的设计与器件的结构优化，从而实现高性能光电子器件。近10年来，始终围绕“金属卤化物钙钛矿光谱物理及器件研究”这一主题，以探究金属卤化物钙钛矿光电机制为核心，以提高器件性能及开拓其新的光电子应用为目标展开工作。针对钙钛矿型材料与器件领域存在的一些关键科学问题，运用飞秒超快光谱手段探测分析其背后基本的光物理及光化学诱因，在理解这些诱因过程的基础上，对钙钛矿材料的维度、结晶过程、微纳结构形貌、薄膜形貌及器件能带工程等进行调控以克服这些问题。共发表SCI论文140余篇，包括一作或通讯的Science，Nature Materials，Nature Energy，Nature Communications，Advanced Materials，Nano Energy，ACS Nano等，论文被引13900余次，h因子41。欢迎相关方向的优秀学生申请课题组博士以及应聘为博士后，优秀博士生可获得四年奖学金100万澳门币，优秀博士后可获得两年薪金100万澳门币，常年招聘。

工作汇总

高质量的钙钛矿薄膜制备方法需要在惰性气氛下以N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）为前体溶剂并以氯苯（CB）为反溶剂的复杂反溶剂方法。除了溶剂处理问题和毒理学问题外，具有繁琐过程的反溶剂工程还需要更高的操作技术和环境，这严重阻碍了PSC的商业化进程。针对这个问题，团队开发出了新型的离子液体溶剂，其可以通过一种简单的一步法在没有任何添加剂的潮湿空气中，可使转换效率（PCE）超过22％。此外，使用离子液体溶剂的二维Ruddlesden-Popper PSC的认证PCE接近18％，且具有出色的稳定性。基于离子液体溶剂的Dion-Jacobson相和锡基PSC也显示出优异的性能，表明离子液体溶剂具有通用特性。近期，团队通过在钙钛矿前驱体溶液中引入离子液体spacer可以制备出纯相的二维钙钛矿，这项工作为研究本征光物理性质提供了实验基础。对于钙钛矿光电技术领域的广泛适应性，特别是对于需要简单快速的工艺的工业生产，离子液体有望成为一种有前途的功能性溶剂。

相关文献

1.Ren, S. Yu, L. Chao et al. “Efficient and stable Ruddlesden-Popper perovskite solar cell with tailored interlayer molecular interaction” Nat. Photonics. 14 (2020) 154-163. https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6

2.Liang, H. Gu, Y. Xia et al. “Two-dimensional Ruddlesden–Popper layered perovskite solar cells based on phase-pure thin films” Nat. Energy (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00721-5.

3.Chao, Y. Xia et al. “Room Temperature Molten Salt for Facile Fabrication of Efficient and Stable Perovskite Solar Cells in Ambient Air” Chem 5 (2019) 995-1006. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.02.025.

4.Li, L. Chao, C. Chen et al. “In Situ Interface Engineering for Highly Efficient Electron-Transport-Layer-Free Perovskite Solar Cells” Nano lett. 20 (2020) 5799−5806. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01689.

5.Wang, X. Ran, X. Liu, H. Gu et al. “Tailoring Component Interaction for Air-Processed Efficient and Stable All-Inorganic Perovskite Photovoltaic” Angew. Chem. Int. Ed. 59 (2020) 13354–13361. https://doi.org/10.1002/anie.202004256.

6.Chao, T. Niu, H. Gu et al. “Origin of High Efficiency and Long-Term Stability in Ionic Liquid Perovskite Photovoltaic” Research 2020 (2020) 2616345. https://doi.org/10.34133/2020/2616345.

7.Hui, Y. Yang, Q. Xu, et al. “Red-Carbon Quantum Dots Doped SnO2 composite with Enhanced Electron Mobility for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells” Adv. Mater., 32 (2020) 1906374. https://doi.org/10.1002/adma.201906374.

8.Shen, Y. Liu et al. “Centimeter-sized Single Crystal of Two-Dimensional Halide Perovskites Incorporating Straight Chain Symmetric Diammonium Ion for Efficient X-ray Detection” Angew. Chem. Int. Ed. 59 (2020) 14896-14902. https://doi.org/10.1002/anie.202004160.

本文由刘于金编译供稿。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

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