具有三維（3D）結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化金屬鹵化物鈣鈦礦已經(jīng)成為一類高效太陽(yáng)能電池材料，近年來(lái)功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）從3.8％急劇提高到22％以上。這種出色的光伏性能歸因于這類材料獨(dú)特的屬性，如具有較大的吸收系數(shù)，較小的激子結(jié)合能，高電荷傳輸遷移率和相對(duì)較長(zhǎng)的電荷載流子擴(kuò)散距離。然而，3D鈣鈦礦材料（如MAPbI3、FAPbI3）固有的不穩(wěn)定性受到了廣泛關(guān)注。如MAPbI3的不可逆分解生成了PbI2和甲胺，或黑色α-FAPbI3相變?yōu)闊崃W(xué)上更穩(wěn)定的黃色δ-FAPbI3（非鈣鈦礦相）。這些問(wèn)題阻礙了這種三維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化。
近日，南開大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心主任陳永勝教授（通訊作者）及其團(tuán)隊(duì)在JACS上發(fā)表了題為“Two-dimensional Ruddlesden–Popper Perovskite with Nanorod-like Morphology for Solar Cells with Efficiency Exceeding 15%”文章。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了使用2-噻吩甲基銨（ThMA+）作為間隔陽(yáng)離子的新型2D鈣鈦礦，并且與其3D對(duì)應(yīng)物相比，證明了其高光伏性能以及增強(qiáng)的穩(wěn)定性。使用二甲基鈣鈦礦(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）在N,N-二甲基甲酰胺沉積的高取向薄膜中使用甲基氯化銨（MACl）輔助成膜技術(shù)顯著提高二維鈣鈦礦器件的光伏效率，從1.74％到超過(guò)15％，這是到目前為止2D鈣鈦礦的最高效率（n <6）太陽(yáng)能電池。使用MACl作為添加劑的2D鈣鈦礦器件的增強(qiáng)性能歸因于具有近似單晶性質(zhì)的納米棒狀薄膜形成的致密網(wǎng)狀，并且其中結(jié)晶平面2D MAn-1PbnI3n+12-板坯優(yōu)選垂直于基板排列，因此有利于高效的電荷傳輸。這項(xiàng)工作為探索具有較高結(jié)晶度和晶體取向的2D鈣鈦礦的形成機(jī)制提供了新的見解，適用于高性能太陽(yáng)能電池。
圖1：二維鈣鈦礦(ThMA)2(MA)2Pb3I10晶體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2：ThMAI的器件結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖
（a）??? 器件結(jié)構(gòu)
（b）??? ThMAI的化學(xué)結(jié)構(gòu)
（c）??? 三維MAPbI3和二維(ThMA)2(MA)2Pb3I10鈣鈦礦薄膜的能級(jí)結(jié)構(gòu)
（d）??? 基于二維鈣鈦礦的器件SEM橫截面示意圖，對(duì)于二維鈣鈦礦薄膜來(lái)說(shuō)MACl/MAI的最優(yōu)質(zhì)量比為0.5
圖3：二維鈣鈦礦器件的各類測(cè)試曲線
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（a）??? MACl/MAI質(zhì)量比分別為0和0.5的(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）二維鈣鈦礦薄膜在AM 1.5G 太陽(yáng)光模擬器下的J-V曲線
（b）??? MACl/MAI質(zhì)量比為0.5的器件穩(wěn)定電流密度和輸出功率
（c）??? MACl/MAI質(zhì)量比分別為0和0.5的器件的EQE
（d）??? MACl/MAI質(zhì)量比分別為0和0.5的器件的JSC與光強(qiáng)的關(guān)系
（e）??? MACl/MAI質(zhì)量比分別為0和0.5的器件的VOC與光強(qiáng)的關(guān)系
（f）???? MACl/MAI質(zhì)量比分別為0和0.5的器件TRPL光譜圖
圖4：二維鈣鈦礦薄膜的SEM圖譜
（a-e）熱退火前的從0到1不同MACl/MAI質(zhì)量比的鈣鈦礦薄膜
（f-i）熱退火后的從0到1不同MACl/MAI質(zhì)量比的鈣鈦礦薄膜
圖5：(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）二維鈣鈦礦薄膜XRD圖譜
（a）??? 從0到1不同MACl/MAI質(zhì)量比的(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）二維鈣鈦礦薄膜XRD圖譜
（b）??? (ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）薄膜的定向（上），無(wú)定向（中）和由單一晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的XRD圖譜，MACl/MAI質(zhì)量比為0.5
（c-f）不同MACl/MAI質(zhì)量比的二維鈣鈦礦薄膜
圖6：(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）二維鈣鈦礦電荷傳輸原理圖
（a）??? 電荷傳輸通道原理圖
（b-d）不同MACl/MAI質(zhì)量比分別為0（b），0.5（c），0.3、0.7、1.0（d）的(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）二維鈣鈦礦薄膜的包裝結(jié)構(gòu)
圖7：鈣鈦礦薄膜XRD圖譜
（a）??? 二維鈣鈦礦薄膜在空氣中存放0天和40天后的XRD圖譜
（b）??? 三維MAPbI3鈣鈦礦薄膜在空氣中存放0天和40天后的XRD圖譜
（c）??? 二維(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）鈣鈦礦薄膜和三維MAPbI3鈣鈦礦薄膜器件的標(biāo)準(zhǔn)PCE對(duì)應(yīng)時(shí)間的曲線
【小結(jié)】
該團(tuán)隊(duì)已成功開發(fā)出一種新型2D Ruddlesden-Popper相鈣鈦礦材料，其低的n值為3，使用2-噻吩甲基銨作為間隔陽(yáng)離子。對(duì)具有納米棒狀晶型和較高光伏性能的二維鈣鈦礦薄膜進(jìn)行了采用MACl輔助結(jié)晶和晶體定向生長(zhǎng)技術(shù)。在用MACl處理后，2D鈣鈦礦形成獨(dú)特的納米棒狀，并且表現(xiàn)出顯著增加的晶體尺寸，增強(qiáng)了平面外取向，較大且穩(wěn)定的電荷載流子遷移率，以及顯著改善的電荷載流子壽命。結(jié)果，基于MACl/MAI最優(yōu)質(zhì)量比為0.5的2D鈣鈦礦(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）的太陽(yáng)能電池的PCE為15.42％，是迄今為止最佳的2D鈣鈦礦器件。同時(shí)，基于2D鈣鈦礦(ThMA)2(MA)n-1PbnI3n + 1（n = 3）的器件與其3D器件相比表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作展示了一種有效的途徑，使用了簡(jiǎn)單的溶液處理方法，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有高效率和高穩(wěn)定性，可控制地調(diào)整二維鈣鈦礦的結(jié)晶度和晶體取向，從而為進(jìn)一步提高二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能提供了可能的策略。
化學(xué)慧定制合成事業(yè)部摘錄
