Small:二维杂化钙钛矿——结构,性质及太阳能电池应用

澳门大学邢贵川、孙国星 Small综述:二维杂化钙钛矿——结构,性质及太阳能电池应用

摘要:基本结构类型、结晶机理、光电性质及稳定性

钙钛矿在水氧、光和热方面固有的不稳定性是其走向实际应用中,亟需解决的问题。相比传统的三维(3D)钙钛矿,近年来新兴的二维(2D)钙钛矿由于其优异的材料稳定性引起了学术界广泛关注。2D 钙钛矿是通过在 3D PbI6笼格结构中嵌入有机间隔阳离子层,构建交替堆叠的层状结构而获得的。一方面,有机间隔层的存在对离子和水分对材料的渗透提供了天然的屏障,使得材料与器件可以在空气中保持长期稳定。此外,有机间隔层中增强的分子间作用力和形成能赋予材料更好的晶格稳定性;另一方面,由于有机层和无机层之间的介电差异,这种层状结构可以看作是多量子阱结构(MQW),而这些 MQW 不可避免地会导致严重的电荷复合。因此,设计调控2D 钙钛矿材料晶体结构和相分布是提高太阳能电池性能且兼顾稳定性的关键。

澳门大学邢贵川团队、孙国星团队系统综述了2D钙钛矿的研究进展,着重介绍了2D钙钛矿的基本结构类型、结晶机理、光电性质及稳定性,并概述了近期在太阳能电池中的应用。

作者们首先综述了二维钙钛矿的基本结构类型,如<100>、<110>和<111>取向结构的特征和影响因素,着重介绍了包含Ruddlesden-Popper (RP)相、Dion-Jacobson (DJ)相 和 ACI相的<10​​0> 取向结构。总结了2D钙钛矿结晶的可能机制并提出了制备理想相位排列和晶体取向2D钙钛矿薄膜的策略。另外,详细概述了2D钙钛矿中电子结构,量子/介电限域效应及激子性质,并从材料形成能、离子迁移和疏水性三个方面讨论了2D钙钛矿的稳定性。之后,总结了近年来2D 钙钛矿太阳能电池的最新进展,包括RP相、DJ相、ACI相和锡基二维钙钛矿太阳能电池。最后,作者们分享了该领域目前面临的挑战和机遇,例如,对于材料载流子动力学的研究远远少于器件工艺学,包括激子-声子耦合、电荷传输和能量损失等;仍需深入了解多相结构和纯相结构对于材料性质的影响,探寻纯相结构是否真正具有更好的光电性能;另外还展望了2D钙钛矿的未来发展方向,如可引入共轭分子从分子结构方面调控材料量子/介电限域效应等。

论文信息:

2D Hybrid Halide Perovskites: Structure, Properties, and Applications in Solar Cells

Guangbao Wu, Rui Liang, Zhipeng Zhang, Mingzheng Ge, Guichuan Xing*, Guoxing Sun*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103514

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103514