Solar RRL: 层间交联二维钙钛矿太阳能电池:均一的相分布和增强的激子耦合

二维钙钛矿结构具有通式L2An-1MnX3n+1,其中L代表具有长碳链的氨基配体,A通常为甲基铵(MA+)或质子化的甲脒(FA+)离子,M通常为Pb或Sn,X通常是卤素阴离子,例如碘离子,溴离子和氯离子。但是直到现在,研究人员主要研究绝缘配体即正丁铵(BA)和苯乙铵(PEA)PEA以形成Ruddelsden-Popper(RP)相二维钙钛矿。RP相2D钙钛矿具有吸引力的原因主要有如下几个:首先,经过溶液处理的2D钙钛矿膜具有独特的多组分量子阱(MQW)结构,可以限制激子,显示出它们在发光二极管(LED)应用中的巨大潜力。其次,可以通过多种方法(例如热浇铸,NH4SCN或NH4Cl添加剂辅助)改变垂直于基材的二维片体的方向,以提高电荷收集效率。第三,由于绝缘配体的疏水性,可以显着改善钙钛矿的湿度稳定性,为钙钛矿太阳能电池(PSC)的长期运行铺平了道路。然而,RP相钙钛矿的固有性质使其更适合于LED的制造,而非太阳能电池。为了实现二维PSC的应用,需要开发更多的配体。最近,采用LAn-1MnX3n+1通式和二价氨基L分子的一种新型的2D钙钛矿,Dion-Jacobson(DJ)结构,被首次制成了PSC。他们使用二价有机配体,即3-(aminomethyl)piperidinium(3AMP)和4-(aminomethyl)piperidinium (4AMP)作为间隔基,获得了较好的量子效率。之后,DJ相PSC更高的效率和稳定性被开发出来,例如以MAAc熔融盐为溶剂的DJ钙钛矿太阳能电池的效率为16.38%和1,3-二氨基丙烷作为间隔物,MACl,DMSO作为添加剂的PSC具有数千小时的超高稳定性。但是,控制二维成分的分布均匀性仍然很困难,并且激子相互作用的研究也很少。

来自香港中文大学的许建斌教授、严克友助理教授与香港科技大学的黄锦圣教授合作,采用1,4-丁二胺(BDA)作为交联分子以获得DJ型PSC,并发现在低温制造过程中,分布均一性得到了极大的改善。并通过一系列稳态和时间分辨超快光谱技术研究了激子行为。在纯相二维(BDA)PbI4钙钛矿(~142 meV)中,比RP相(BA)2PbI4钙钛矿(~435 meV)具有更小的激子结合能。二维片层的垂直分布通过变功率PL荧光光谱以及前后激光束照射来揭示,结果显示其比RP钙钛矿更为均匀。分散性和晶体取向可以通过MACl和/或DMSO的添加剂来控制,从而生产出高质量的钙钛矿薄膜。能量传递的时间为数十皮秒,并且能量损失比RP钙钛矿低得多。在反式PEDOT /(BDA)MA3Pb4I13/PCBM-BCP太阳能电池器件中,可以实现高达12.81%的PCE效率,开路电压(VOC)为1.15 V,短路电流密度(JSC)为14.48 mA / cm-2和填充系数(FF)76.8%,并对混合MQW中的激子行为提供了深入的了解。相关工作已在线发表在Solar RRL上。(DOI: 10.1002/solr.201900578)