Advanced Materials:用于高效钙钛矿太阳能电池的高质量Ruddlesden-Popper钙钛矿薄膜形成过程以及制备技术

以三维(3D)卤化物钙钛矿为吸光材料的钙钛矿太阳能电池近年来受到了国内外研究者的广泛关注。经过十年多的发展,这类太阳能电池的光电转换效率已经超过了25%,能够和传统的硅基太阳能电池相媲美。然而,3D卤化物钙钛矿ABX3对一些环境因素如温度、湿度、氧气等极为敏感,因此基于3D卤化物钙钛矿的太阳能电池普遍存在不稳定的问题,严重制约这类太阳能电池的商业化。

迄今为止,研究者们已经采用了多种方法来提高基于3D卤化物钙钛矿的太阳能电池的稳定性。其中,通过引入低维卤化物钙钛矿来保护3D钙钛矿或者直接用低维卤化物钙钛矿来做吸光材料得到了广泛的关注。在各种低维钙钛矿中,二维(2D)的Ruddlesden–Popper(RP)结构的钙钛矿具有优越的抗潮湿性能,已经被广泛地作为吸光材料应用于太阳能电池中来提高器件的稳定性。值得注意的是,尽管RP钙钛矿在稳定性方面具有较大优势,但是RP钙钛矿的载流子传输能力与有机空间离子的分布方向以及薄膜的表面形貌等方面息息相关。也就是说,RP钙钛矿薄膜的质量决定着RP钙钛矿的光电性质,从而影响着RP钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。虽然已经有综述报道RP钙钛矿太阳能电池的研究进展,但是这些综述对RP钙钛矿薄膜的形成过程关注的相对较少。

最近,南京工业大学/澳大利亚科廷大学邵宗平教授、南京工业大学王纬教授等人指出了评价RP钙钛矿薄膜质量的多种指标,并系统地总结了影响RP钙钛矿薄膜质量的因素,全面总结评述了高质量RP型钙钛矿薄膜的形成机制,提出了制备高质量RP钙钛矿薄膜质量的多种策略。相关综述论文以“High-Quality Ruddlesden-Popper Perovskite Film Formation for High-Performance Perovskite Solar Cells”为题发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202002582)上。文章首先介绍了RP钙钛矿的一些特性,然后指出了评价RP钙钛矿薄膜质量的重要指标,包括优先垂直生长方向、合适的不同n值钙钛矿相的分布和组成,良好的表、界面形貌以及合适的薄膜厚度。然后从材料组成、制备过程以及下层表面性质三个方面系统地阐述了影响RP钙钛矿薄膜质量的因素,并探究了RP钙钛矿薄膜的形成机制;最后通过总结近年来制备高质量RP钙钛矿薄膜的研究进展,提出了制备高质量RP钙钛矿薄膜的多种策略。该综述为更好地理解RP钙钛矿薄膜形成过程中的结晶和相动力学以及设计和开发高性能RP钙钛矿太阳能电池提供有益的指导。