Advanced Energy Materials:二维钙钛矿太阳能电池的结晶动力学

钙钛矿因其较高的光吸收系数、较长的载流子寿命和扩散长度以及组成的可设计性等优异性能引起了研究者广泛的关注和研究。钙钛矿太阳能电池(PSC)的转换效率(PCE)在过去十年中已从最初的3.8%迅速提高到目前的25.5%,但是钙钛矿的稳定性问题严重阻碍了其大规模商业化应用。这是因为:1)有机-无机杂化钙钛矿对湿度极为敏感,在潮湿条件下会迅速分解;2)锡基(Sn-)钙钛矿极易被氧化,与铅基钙钛矿相比,它们的性能和稳定性还比较差;3)离子迁移导致钙钛矿骨架崩塌;另外,光场、热场、电场易导致钙钛矿薄膜内部的卤素分离;4)具有不稳定晶体结构的钙钛矿,特别是无机钙钛矿(CsPbX3),很容易发生自发相变。为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性,研究人员尝试了许多方法,例如封装,添加剂工程,组分工程等。但是,钙钛矿太阳能电池的稳定性尚未找到一个完美的解决方案。

最近,研究人员发现在3D钙钛矿中引入长链有机阳离子,制备具有天然量子阱结构的2D钙钛矿可以阻断环境中的水和氧分子,同时产生空间位阻效应以防止相变并限制离子迁移。因此,制备2D或2D/3D混合钙钛矿作为光吸收层是提高钙钛矿太阳能电池稳定性的有效方法。然而,2D钙钛矿太阳能电池的效率仍然较低,这主要是因为有机大分子的引入阻碍了载流子的高效提取和运输。幸运的是,2D钙钛矿天然量子阱结构通常具有三种排列方式,即平行、垂直于玻璃基底或随机排列。通过溶液法制备2D钙钛矿薄膜时,控制2D钙钛矿薄膜内量子阱的排列方式和相分布可以显著提高2D钙钛矿太阳能电池的性能。其中,2D钙钛矿太阳能电池最希望的排列方式是量子阱垂直于基底排列。因此,研究二维钙钛矿的结晶动力学对于有效地控制薄膜的形成过程和调节晶体取向(垂直于衬底)是必不可少的,这可以有效地避免或减少有机分子层的不利影响并提高器件效率。

近日,兰州大学靳志文教授和慈志鹏副教授团队在Advanced Energy Materials上发表题为“Crystallization Kinetics in 2D Perovskite Solar Cells”的综述性文章,全面系统的总结了结晶动力学过程对2D钙钛矿量子阱排列(垂直或平行于基底)的影响。文章首先介绍了2D钙钛矿的特殊结构和稳定性来源。其次,从I).2D钙钛矿结晶机理和量子阱分布;II).溶剂工程—溶剂的极性、配位能力等影响中间相的形成,从而影响2D钙钛矿的结晶动力学;III).组分工程—前驱体溶液的离子组成、添加剂、离子交换和取代等对2D钙钛矿的结晶动力学有明显影响;IV).制备方法—热旋涂、后退火、真空退火等不同退火方式对2D钙钛矿的结晶过程有重要影响,四个方面重点介绍了2D钙钛矿结晶动力学的影响因素以及调控2D钙钛矿量子阱排列的方法。最后,简要介绍了不同类型2D钙钛矿太阳能电池的发展现状,并提出了2D钙钛矿进一步发展面临的挑战。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202002558)