Advanced Science:混合间隔阳离子 2D 钙钛矿太阳能电池热稳定和湿度稳定性的研究

为了实现绿色可持续发展,大力发展和利用光伏等清洁能源技术已成为未来的趋势。以钙钛矿太阳能电池为代表的新一代光伏技术具有成本低、轻薄、制造简单等特点,符合未来发展的需求。钙钛矿材料是带隙可调的直接带隙半导体,具有较低的激子结合能、较长的载流子寿命和扩散长度以及较高的缺陷容忍度等优点。目前器件最高效率已经超过 25%。 但材料自身的不稳定性以及对水、热、氧、紫外光等环境因素的敏感已经成为限制其进一步发展的首要问题。层状二维(Two-dimensional, 2D)钙钛矿因有机间隔阳离子的存在而比三维(Three-dimensional, 3D)钙钛矿更加稳定,因而基于 2D的器件表现出了更好的稳定性。

华中科技大学武汉光电国家研究中心徐凌和合作者通过在前驱体溶液中混合 BDA2+和 PEA +两种间隔阳离子,获得了兼具湿、热稳定性以及高效率(17.21%)的 2D 钙钛矿太阳能电池。

图1.  (a) BDA2+与 PEA+的化学结构及器件结构示意图,(b)器件的 J-V 曲线,(c)正、反扫描方 向的 J-V 曲线,(d)基于 BDA、(BDA)0.8(PEA2)0.2 和 PEA2 薄膜器件的 EQE 谱与积分电流

通过混合两种性质不同的有机间隔阳离子,BDA2+和 PEA+,提高了 2D 钙钛矿薄膜的结晶度,抑制了平行取向的小 n 值 2D 钙钛矿的形成,获得了量子阱集中分布、致密、垂直取向、低缺陷密度 的 2D 钙钛矿薄膜。在混合间隔阳离子的薄膜中,浓度的差异导致 BDA2+离子主要集中在晶粒内部中,而 PEA+则大多分布在晶体颗粒表面。因此,BDA2+存在增强了 2D 钙钛矿层间相互作用提高了薄膜的热稳定性,而 PEA +的疏水基团则提高了薄膜耐湿性。所以,这种混合两种不同类型的间隔阳离子的简单策略实现了 D-J 和 R-P 相的互补优势,有潜力用于进一步改善 2D 或 3D 钙钛矿光电器件的性能和稳定性。

论文信息:

Thermal and Humidity Stability of Mixed Spacer Cations 2D Perovskite Solar Cells

Yuayang Yu, Yulin Xie, Jia Zhang, Jiashun Duan, Xu Chen, Yudong Liang, Kai Wang, Ling Xu* ,

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202004510