Solar RRL:准二维钙钛矿相分布和载流子传输的调控

准二维钙钛矿材料是一种类二维材料,其结构式为L2An1MnY3n+1,其中L和A分别为大小尺寸的有机阳离子,M为二价金属离子,Y为卤素阴离子,n为被有机阳离子包裹的无机骨架层数。n=1时,为纯二维钙钛矿;n=∞时,为纯三维钙钛矿;其他情况(n=2,3,4,5……)则称之为准二维钙钛矿。与传统三维钙钛矿相比,准二维钙钛矿材料由于较高的光稳定性和化学稳定性,以及光电性质的易调控性,近年来成为太阳能电池和LED等领域的研究热点。通过调节n的大小,可以实现对其带隙和量子限域效应的连续调节。研究发现,在薄膜中准二维钙钛矿晶体沿基底垂直方向生长,会包含不同n的相,而非单一相。通常,三维相具有较小的激子束缚能,因此更适合作为太阳能电池材料;而二维相具有更大的激子束缚能,因此更适合作为LED发光材料。同时,晶体生长的方向对于不同器件来说也至关重要。根据能级大小,电子和空穴可以在不同相之间发生转移,电子由二维相转移到三维相,而空穴由三维相转移到二维相。因此,对于正向器件来说三维相沉积在底部更有利于电荷收集和传输,而对于反向器件来说二维相沉积在底部更有利。

美国迈阿密大学物理系王鹤课题组详细研究了样品制备对准二维钙钛矿晶体生长的影响;同时利用飞秒时间分辨瞬态吸收,研究了其载流子在不同相之间的转移。研究人员通过两种方法调控准二维钙钛矿薄膜中相的分布:晶体生长方向和晶体生长速率。研究发现利用乙酸乙酯作为反溶剂,晶体生长方向会发生翻转,导致三维相生长在底部二维相生长在表面。研究进一步发现通过加入CH3NH3Cl和DMSO,可以使得晶体生长速率减缓,从而提高相纯度。飞秒瞬态吸收光谱分别证明了反溶剂以及两种添加剂对晶体生产方向和相纯度的影响,以及载流子转移方向的变化。在此基础上,研究人员利用不同条件下得到的薄膜制备了太阳能电池,发现相纯度高的薄膜制备得到的器件效率最高,同时也发现正向和反向器件的效率与晶体生产方向紧密相关。根据器件的实际需要调节准二维钙钛矿晶体的生长方向、相分布以及载流子迁移,这一发现对于其未来的进一步应用具有重要意义。

相关研究结果在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800359)上。