Advanced Energy Materials:水辅助准2D钙钛矿晶体生长实现电荷传输和光伏性能的提升

相比于传统的有机-无机杂化3D钙钛矿,含有疏水性长链有机铵盐(例如丁铵或苯乙铵)的准2D钙钛矿能够有效提高材料本身和光电器件的稳定性。但是长链有机铵盐通常具有较强的电绝缘性,使得准2D钙钛矿表现出比3D钙钛矿更大的激子结合能和较差的载流子传输效率,严重制约了其光电转换效率(PCE)。之前的研究表明垂直于基底的晶体取向和不同n值相的梯度分布可以有效改善准2D钙钛矿薄膜的电荷传输性能。目前大多数的准2D钙钛矿薄膜是利用热涂膜法实现垂直取向的晶体生长。然而,由于热能驱动的快速结晶使得趋于3D相和趋于2D相之间结晶过程的竞争变得十分激烈,难以精确控制其薄膜形成过程中不同n值相的分布,这种竞争本质上是源于PbI2分别与碘甲铵(MAI)和碘丁铵(BAI)之间的结晶反应。

北京航空航天大学化学学院张渊团队针对这一问题,将少量去离子水引入到前驱体溶液中以调控热涂膜法中准2D钙钛矿晶体的生长过程。结果表明,经过含水前驱体制备的(BA)2MA4Pb5I16基电池(n=5)的短路电流密度提高到了19.01 mA/cm2,PCE超过了15%。这主要是因为前驱体溶液中MAI∙H2O水合物辅助了3D相和2D相间协同的晶体生长,获得了晶体取向和相分布更加有序的高质量准2D钙钛矿薄膜,从而促进了不同相间的电荷转移和器件内的电荷输出。同时,研究人员将水辅助结晶法进一步应用于基于混合阳离子的(BA)2(MA0.8FA0.15Cs0.05)4Pb5I16的准2D钙钛矿器件中,最终PCE可达18.04%,并且该器件在60 °C下连续热老化500 h以后,PCE的衰减低于初始效率的15%。本文的研究结果不仅提供了一种调控准2D钙钛矿晶体生长的策略,而且扩展了钙钛矿薄膜制备过程中的湿度窗口,有利于促进高性能准2D钙钛矿器件的商业化制造。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001832)上。