Advanced Functional Materials:间隔层阳离子调节助力高效准二维钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)的功率转化效率(PCE)虽然已经达到25.5%,但由于有机阳离子与铅卤八面体之间的作用力较弱,使得这类钙钛矿材料在外界环境中(高温、高湿度)容易分解。相比之下,准二维(Q-2D)层状Ruddlesden-Popper (RP)相钙钛矿因其良好的湿度和热稳定性成为当前的研究热点。不过,由于Q-2D钙钛矿中有机间隔阳离子的绝缘性以及无序分布的多量子阱结构,导致薄膜中电荷传输受阻,器件的PCE普遍较低。调节有机间隔阳离子的化学结构可以改善Q-2D钙钛矿薄膜中的电荷传输效率,比如苯乙胺(PEA+)间隔阳离子中的卤素取代被证明是提升PEA基PSCs性能的有效方法。然而,基于卤素取代PEA的Q-2D PSCs的效率仍有提升的空间,而且卤素取代改善器件性能的深层原因还不是完全清楚,需要进一步研究。

近日,电子科技大学刘晓东副教授和郑永豪教授课题组与澳门大学邢贵川教授、四川大学赵德威特聘研究员合作细致优化了卤素取代PEA的Q-2D钙钛矿薄膜(n = 4)的制备条件,将氟(F)取代PEA的Q-2D PSCs的效率提升到18.10%,为目前PEA基PSCs的最高效率(n ≤ 4)。作者详细研究了卤素取代提升器件性能的内在机理。相关结果发表在Advanced Functional materials (DOI: 10.1002/adfm.202008404)上。

1)基于PEA的Q-2D钙钛矿薄膜中存在n = 1的2D钙钛矿相,这种钙钛矿的生长取向平行于基底,导致电荷在垂直方向上的传输受阻;对PEA分子进行氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)的卤素取代后(命名为X-PEA),Q-2D钙钛矿薄膜中的n = 1 2D钙钛矿相被抑制,钙钛矿晶体取向几乎完全垂直于基底,有效提升了垂直方向上的电荷传输效率。2)在基于PEA和F-PEA的Q-2D钙钛矿薄膜中,不同n值的2D钙钛矿相呈现有序分布,大n相主要集中于钙钛矿薄膜的上表面,小n相则主要位于薄膜的下表面(靠近基底),从而形成有序的电荷传输通道;而基于Cl-PEA和Br-PEA的Q-2D钙钛矿薄膜中,不同n值的2D钙钛矿相呈现无序分布,这会导致了电荷传输时的复合损失。3)在钙钛矿结晶过程中,大n相和小n相存在竞争关系,这是导致不同n值钙钛矿相有序和无序分布的主要原因。在基于PEA和F-PEA的薄膜中,大n相的2D钙钛矿相比于小n相要优先结晶,导致了薄膜中不同n相的有序分布;然而,在基于Cl-PEA和Br-PEA的薄膜中,大n相和小n相2D钙钛矿同时结晶,这导致了无序的相分布。最终,在p-i-n结构的Q-2D PSCs中,基于F-PEA的器件实现了高达18.10%的PCE。相比之下,由于薄膜中存在水平的晶体取向,基于PEA的对比器件只获得了12.23%的PCE;至于Cl-PEA和Br-PEA基的器件,PCE更低,分别为7.93%和6.08%,这可归因于不同n值2D钙钛矿相的无序分布。这项工作不仅制备出了垂直取向且有序相分布的Q-2D钙钛矿薄膜,实现了高效率的Q-2D PSCs,同时揭示了高性能背后的深层原因,对调节Q-2D钙钛矿薄膜中的晶体取向和相分布具有一定的指导意义。

相关成果发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202008404)。本文第一作者为电子科技大学在读博士汪泽和西北工业大学博士后魏琪。通讯作者为电子科技大学刘晓东副教授、郑永豪教授,澳门大学邢贵川教授,四川大学赵德威特聘研究员。该项研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、澳门科技发展基金、广东省自然科学基金、粤港澳光电磁功能材料联合实验室、四川省科技计划项目以及中央高校基本科研业务费共同资助。