Science：亚稳态Dion-Jacobson二维结构实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

【引言】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种很有前途的光伏（PV）技术，据报道，经认证的功率转换效率（PCEs）高达25.5%。尽管有如此高的性能，但器件的稳定性阻碍了它们的商业化。改善器件稳定性的方法包括缺陷钝化、接触层改性和封装。使用2D钙钛矿作为界面改性层在解决表面缺陷方面有很大的潜力，特别是提高PSCs的稳定性和效率方面。基于苯乙基铵（PEA⁺）或丁基铵（BA⁺）等大体积阳离子的Ruddlesden-Popper （RP）二维层状钙钛矿被广泛应用于3D钙钛矿薄膜表面，以减少缺陷密度，提高器件的稳定性。这种庞大的有机阳离子通常会自组装成一个屏障层，以防止地表水的吸附或进入。然而，大体积的基于阳离子的二维结构往往表现出各向异性和较差的电荷在有机层上传输，并容易形成电荷提取屏障，抑制器件的有效运行。

【成果简介】

近日，在美国国家可再生能源实验室（NREL）朱凯和Bryon W. Larson、托莱多大学鄢炎发教授团队等人带领下，最大限度地通过亚稳态Dion-Jacobson（DJ）2D钙钛矿层的空穴传输，调整了不对称大体积有机分子的取向排列。空穴传输的能量位垒降低使面外传输率提升了4~5倍，n=1的2D PSC的功率转换效率（PCE）为4.9%。使用亚稳态DJ 2D表层后，3种常见的3D PSC的PCE提高了~ 12-16%，可达~24.7%。对于三重阳离子混合卤化物PSC，在~40℃的N₂条件下，经过1000小时的1次光照后，初始PCE仍保留90%。相关成果以题为“Metastable Dion-Jacobson 2D structure enables efficient and stable perovskite solar cells”发表在了Science。

【图文导读】

图1 设计理念

(A) [PbI₆]平面与大体积有机阳离子之间的带偏移与H键强度强弱有关。为清晰起见，在平面中间省略无机框架轨道图。

(B)不对称DMePDA²⁺阳离子的两种可能的排列方式和对称BDA²⁺阳离子的唯一排列方式。

(C) HSE+vdW计算了BDAPbI₄、DMePDAPbI₄-1 ((B)中取向1)和DMePDAPbI₄-2 ((B)中取向2)中有机阳离子的总DOSs。VBMs设置为0.0 eV。

图2 2D薄膜结构、传输和器件特性

(A)溶液生长DMePDAPbI₄薄膜的XRD图，以及DMePDAPbI₄-1和DMePDAPbI₄-2单晶结构的粉末XRD图。

(B) DMePDAPbI₄-1和DMePDAPbI₄-2转换路径的能量分布。

(C) n=1的2D钙钛矿层的面外电荷传输的TRMC比较。

(D) 基于n=1的2D钙钛矿薄膜PSCs的J-V特性。

图3 表面层处理

(A) DMePDAPbI₄和钙钛矿薄膜未经（对照PVK）和DMePDAI₂表面处理(PVK/DMePDAI₂)的掠入射XRD (GIXRD)图谱比较。

(B ~ E)对照(B,C)和DMePDAI₂改性的(D,E)钙钛矿薄膜N 1s和C 1s的XPS光谱比较。

图4 设备特性

(A~C)不同钙钛矿组成PSCs的J-V特性：(A) FA_0.85MA_0.1Cs_0.05PbI_2.9Br_0.1;(B) FA_0.97MA_0.03PbI_2.91Br_0.09;(C) MAPbI₃。嵌入的是对应设备的稳定功率输出(SPOs)。

(D)基于FA_0.85MA_0.1Cs_0.05PbI_2.9Br_0.1的未封装PSC的ISOS-L-1运行稳定性（最大功率点跟踪，在 N₂ 中，在~40°C下连续单日光照）。对照组的初始PCE为20.5%，DMePDAI₂处理的初始PCE为23.1%。

文献链接：Metastable Dion-Jacobson 2D structure enables efficient and stable perovskite solar cells（Science，2021，DOI:10.1126/science.abj2637）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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