Small Structures:准二维金属卤化物钙钛矿的间隔有机阳离子工程及其光电应用

原创署名:潘奕辰

有机-无机杂化钙钛矿材料的通式为ABX3(其中A为一价阳离子,B是二价阳离子,X是一价卤化物阴离子)。钙钛矿材料显示出许多出色的光电性能,如高吸收系数、长载流子扩散长度、高缺陷容限、高迁移率、高光致发光纯度等。这些独特的特性使其成为各种光电应用的理想选择,例如太阳能电池、发光二极管 (LED)、激光器、光电探测器等。此外,钙钛矿材料可以通过廉价的溶液法工艺来制造,且光学和电子特性很容易调整。然而,这类材料结构稳定性以及化学稳定性较差,在氧气、水分、光或热的存在下迅速降解,阻碍了其商业化应用。最近,研究者发现在3D钙钛矿中加入大半径有机阳离子可以形成低维钙钛矿,例如2D和1D钙钛矿。由于疏水性有机间隔阳离子的存在,低维钙钛矿材料显示了有趣和独特的光电特性,并且在暴露于空气时具有良好的稳定性。虽然提高了环境运行稳定性,但绝缘的间隔阳离子会降低电荷传输能力,对太阳能电池的光电转换效率(PCE)不利。另一方面,与3D 钙钛矿相比,二维钙钛矿具有相对较大的激子结合能和更强的量子限制效应,被认为是具有竞争力的LED光电材料。通过选择不同的有机间隔阳离子和改变无机材料的层数,可以改变二维钙钛矿材料的晶体结构和光电性能。

近日,北京大学周欢萍团队在Small Structures上发表了综述文章,总结了二维卤化物钙钛矿中间隔阳离子的最新进展,并讨论了其对钙钛矿结构和光电特性的影响。

在本综述中,作者首先介绍了准二位钙钛矿材料的结构类型。二维卤化物钙钛矿的通式为(A1)2(A2)n-1(B)nX3n+1或(A1)(A2)n -1BnX3n+1 (A1=1+或2+大半径阳离子,A2=单价小半径阳离子,B=Pb2+、Sn2+等,X=Cl、Br和I)。n为无机层数(n  = 1时为严格的 2D 结构;n  = ∞,类似于常规的3D结构;n=2~5时为准2D结构)。基于准二位钙钛矿的晶体结构,还可进一步将其划分为Ruddlesden-Popper(RP)相, Dion−Jacobson(DJ)相和层间空间(ACI)相。

之后,作者基于RP相、DJ相和ACI相这三种准二维钙钛矿结构,详细讨论了其结构特点、在太阳能电池中以及在发光半导体中的应用。作者在文末总结:准二维钙钛矿和器件的显著特点是内在稳定性的提高,这与许多因素相关,包括相对较高的形成能、间隔阳离子的疏水性、离子迁移的抑制趋势等;此外,准二位钙钛矿的间隔阳离子可以从短链有机胺阳离子到胺改性聚合物中选择,其化学结构和官能团可以进行精细调整;研究人员通过精心设计和选择有机间隔阳离子,可以提高器件的效率和稳定性,并努力建立间隔阳离子与器件之间的结构-功能关系,为我们提供更先进的钙钛矿材料和光电器件。

文章信息:

Spacer Organic Cation Engineering for Quasi-2D Metal Halide Perovskites and the Optoelectronic Application

Ning Zhou, Huanping Zhou*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100232

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100232