Small Methods:利用A位阳离子工程化构筑低维分子尺寸钙钛矿材料及其在光电器件中的应用

最近十年来,得益于具有ABX3钙钛矿晶型 有机无机杂化铅卤化物在太阳能电池领域的巨大成功, 该类钙钛矿材料受到了学界和企业界的广泛关注, 并因此得到迅速发展。因其优异且可调控的光学和电学特性,有机无机杂化钙钛矿材料在太阳能电池、发光二极管(LED)、发光型太阳能聚光器(LSC)以及光电探测器等多种光电器件中显示了优异的性能以及巨大的应用前景。然而,由于在该类材料的晶体结构中,A位阳离子与[BX6]4-八面体阴离子在钙钛矿三维(3D)晶格中之间的离子键作用力较弱,因此材料的稳定性非常不理想。在潮湿,加热、紫外光, 外加电场等外部环境因素的影响下,A-位阳离子极易从晶格中脱出,导致材料缺陷增加,且材料发生不可逆的降解过程。材料稳定性的不足,已经成为推进钙钛矿光电器件产业化道路上的一个主要阻碍,也是目前钙钛矿材料科研攻关的一项重要课题。

针对这一问题,研究发现通过对A-位阳离子进行调控,引入具有较大离子半径的有机胺离子RNH3+和R(NH3)22+部分取代常用的甲胺(MA)或甲脒(FA)等A位小离子,可以有效改善钙钛矿的稳定性。这些较大的A位离子会以片层插入的形式将原共顶点连接的[BX6]4-剪隔成若干个部分,约束其特定的晶向生长,形成在分子尺度上低维的钙钛矿材料, 包括二位/准二维(quasi-2D), 一维以及零维的钙钛矿晶体结构。这类大有机胺化合物通常含有长链烷基或为芳香族衍生物,能够增强低维钙钛矿材料的疏水性和热稳定性。

澳大利亚昆士兰科技大学的王红霞教授课题组和桂林理工大学的姚迪圣博士合作,系统阐述了各类有机胺A-位阳离子在制备分子尺寸低维有机无机杂化钙钛矿材料的研究进展以及这些材料在各类光电器件的性能表现。该研究团队从不同维度的钙钛矿分子构型出发,探讨了A位阳离子如何调控材料晶体的维度,以及不同官能团对于材料结构稳定性和光电性质的影响。在改变分子结构的基础上,也对A位阳离子钝化界面缺陷的作用做了详细的阐述,拓宽了A位离子工程在增强光电器件性能方面的研究思路。在器件应用方面,除了太阳能电池,文章也全面介绍了低维钙钛矿材料在LED,LSC和光电探测器中的应用。针对不同光电器件对材料的要求以及低维钙钛矿的性能短板,研究团队对如何更好地开发和使用这类有机胺化合物,以改善其晶体生长取向,减少其绝缘性引发的量子陷阱和激子束缚能,使其更好地应用于光电器件的制备进行了深入探讨,对相关问题提供了可行的建议和应对策略。

本综述为低维钙钛矿材料的分子尺度调控, 在光电器件中的优缺点以及未来发展方向提供了指导。相关论文在线发表在Small Methods (DOI:10.1002/smtd.202001147)上。