Small Methods:NH4SCN添加剂实现准二维DJ相钙钛矿薄膜晶体生长取向调控

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其独特优异的光电性能以及兼容于廉价的溶液制备方法,被认为是最有潜力的光伏技术之一。目前钙钛矿太阳能电池的最高认证光电转换效率(PCE)已经达到了25%以上,但是电池器件的长期稳定性仍是其实现商业化的瓶颈之一。之前的研究结果表明通过引入更大的有机胺离子(例如苯乙胺或丁基胺)而形成准二维钙钛矿结构因其更好的疏水性和更高的结合能具有比三维钙钛矿更优的环境稳定性。其中,Dion-Jacobson (DJ) 相准二维钙钛矿的无机层间由一层双铵盐的阳离子连接,相比Ruddlesden-Popper (RP) 相准二维钙钛矿的层间范德华作用力,其结构更加紧密稳定。但是绝缘的有机烷基链层会大大降低电荷传输效率,因此须通过调控准二维钙钛矿的晶体生长方向使其中的 [PbI6]4- 无机层垂直于基底来增强电荷传输。目前大多数的准二维钙钛矿薄膜是采用热旋涂法来控制晶体生长方向,但热旋涂法会增加制备工艺的复杂度并严重影响样品的重复性。因此急需一种制备方法以实现常温下的准二维钙钛矿薄膜晶体生长方向调控。此外,不同宽度量子阱之间的非平坦能量分布可能会抑制电荷传输,因此还需要尽可能控制准二维钙钛矿中的量子阱宽度分布。

基于此,香港城市大学学务副校长任广禹教授和朱宗龙教授课题组通过引入NH­4SCN 添加剂至准二维DJ相(BDA)(MA)4Pb5I16 (n = 5)钙钛矿前驱体溶液中,通过简单的直接旋涂,来调控钙钛矿的结晶取向和层数分布。通过X射线衍射(XRD)和掠入射广角X射线散射(GIWAXS)测试发现,分别引入不同量的NH­4SCN可以实现钙钛矿晶体从“平躺”到“垂直”的晶体取向演变。进一步的研究表明这一晶体取向演变是通过调控前驱体中钙钛矿胶体颗粒与基底间的静电相互作用实现的。同时,紫外可见吸收光谱和瞬态光谱(TA)表明NH­4SCN的加入,使准二维钙钛矿的层数分布集中在n=3或n=4。制备的ITO/PTAA/quasi-2D Perovskite/PCBM/BCP/Ag电池器件最高效率为14.53% (Voc=1.11V, FF=81.45%, Jsc=16.07 mA cm-2),是已报道的室温条件下制备准二维钙钛矿太阳能电池的最高效率之一。该器件还具有良好的环境稳定性,在湿度为50 ±5%的环境下保存900h仍能维持85%的效率。这种简便高效的调控结晶取向和层数分布的方法可进一步促进基于准二维钙钛矿薄膜的光伏及光电器件的发展。

相关工作以“Vertical Orientated Dion–Jacobson Quasi‐2D Perovskite Film with Improved Photovoltaic Performance and Stability”为题,在线发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201900831)。