Small Structures:Ruddlesden–Popper型二维手性钙钛矿基太阳能电池

原创署名:潘奕辰

有机-无机卤化物钙钛矿材料中,有机和无机成分的特殊结构能够控制光学特性,例如其带隙可通过改变钙钛矿结构中的阳离子和卤化物比例来进行调节。目前,基于钙钛矿的太阳能电池(PSC)已经实现了超过25%的光电转换效率 (PCE)。近年的研究发现,当钙钛矿成分中存在大的有机阳离子时,可形成二维结构,根据小有机铵阳离子和大有机铵阳离子的化学计量,可以通过公式(R-NH3)2An-1BnX3n+1确定钙钛矿的层数。其中,n=1的情况被定义为纯二维,n>1时,二位钙钛矿具有多种类型,例如常见的Ruddlesden-Popper (RP)型 和 Dion-Jacobson (DJ)型。一些研究者发现,在钙钛矿中使用手性分子作为有机阳离子会引入有趣的光学特性。手性分子是化学成分相同,空间几何性状互为镜像形式存在的分子,对映异构体对不同的圆偏振光具有不同的吸收,这种现象被称为圆二色性。迄今,大多数关于二维钙钛矿结构中手性分子的报道都集中在纯二维结构(n=1),而无法应用于太阳能电池器件中。

近日,希伯来大学Lioz Etgar团队使用手性分子合成了多种二维钙钛矿材料,进行了详细的光学和结构表征,并制备了钙钛矿太阳能电池进行验证。

在本工作中,研究团队合成了一系列通式为ABX3χ(S/R-MBA)2PbI4的手性分子,其中A是MA+、Cs+或FA+,B 是二价Pb离子,X是I或I/ Br组合,χ是间隔分子与小阳离子的比值,当χ为0时材料为3D结构。接着,团队对材料进行了圆二色、光致发光、粉末XRD、单晶XRD等表征。表征结果显示,成功合成了具有不同χ值(χ=2、0.7、0.4、0.3、0.2、0.15)的两种对应异构体。

之后,作者将手性准二维钙钛矿制备成太阳能电池,研究了光伏性能,器件的结构为FTO 玻璃/介孔TiO2 /钙钛矿/Spiro-OMETAD/Au。为了研究手性分子对光伏特性的影响,使用氙灯和滤光片进行了圆偏振光测试。实验数据显示,当使用圆偏振光时,太阳能电池具有较低的JSC,这可能归因于较低的透射率。对于不同χ值的钙钛矿材料,理论JSC和实际JSC的比例不相匹配,说明即使手性间隔分子少量存在,也会对光伏性能产生影响。此外,作者还验证了系列二维材料的环境稳定性,对于各种χ值的两种对映异构体,效率在高湿度下都保持了 80 天,证明间隔分子的疏水性有助于器件稳定。

文章信息:

Ruddlesden–Popper 2D Chiral Perovskite-Based Solar Cells

Adva Shpatz Dayan, Małgorzata Wierzbowska, Lioz Etgar*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200051

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202200051