重磅Nature: 二維“類鈣鈦礦”材料穩定鈣鈦礦太陽電池

一、 【導讀】

近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在性能上取得了顯著進展，單結小面積（<1 cm²）器件的光電轉換效率（PCEs）已超過26%。這一提升主要歸因于界面鈍化技術的改進，尤其是應用二維（2D）鈣鈦礦表面鈍化層的策略。然而，這些鈍化層里的活性陽離子在熱驅動下會破壞鈣鈦礦結構中脆弱的角共享八面體連接，并在2D和三維（3D）鈣鈦礦層之間遷移，嚴重影響了器件的效率和穩定性。為了解決這一問題，研究人員近年來開發了“非2D鈣鈦礦配體”策略，有效限制了陽離子的界面遷移行為。然而，該類配體受到立體效應的限制，大大降低了與鈣鈦礦表面的相互作用，尤其削弱了對大面積鈣鈦礦薄膜的鈍化效果。因此，開發新型鈍化材料來同時消除界面缺陷和抑制陽離子遷移變得至關重要。

二、【成果掠影】

近日，美國西北大學的Kanatzidis、Sargent和Marks團隊在鈣鈦礦光伏器件領域取得了重要突破。他們針對鈣鈦礦器件中離子遷移的挑戰，提出了一種創新的解決方案：利用穩定的有機-無機雜化晶格網絡，即含有角、邊、面共享的“類鈣鈦礦”材料，來構建界面鈍化層，有效阻止界面離子遷移。研究團隊合成了多種維度的類鈣鈦礦材料，發現這些材料相較于傳統的2D鈣鈦礦，能更有效地抑制陽離子的遷移。特別是，他們開發的2D類鈣鈦礦材料(A6BfP)₈Pb₇I₂₂成功地鈍化了鈣鈦礦表面缺陷，并制備出均勻的大面積鈣鈦礦薄膜。基于這種“類鈣鈦礦/鈣鈦礦異質結”的大面積1 cm²鈣鈦礦太陽電池達到了24.6%的認證準穩態光電轉換效率，并展示出在85℃下空氣環境中1250小時的穩定運行。

三、【核心創新點】

1. 首次成功在鈣鈦礦表面構建出2D類鈣鈦礦結構；
2. 成功抑制了鈣鈦礦基的異質結內部的陽離子遷移；
3. 實現了1 cm²鈣鈦礦光伏器件的優異效率和穩定性。

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?四、【數據概覽】

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圖1、類鈣鈦礦材料的設計與合成???2024 Springer Nature

N-氨基己基-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽(A6PI)、N-氨基己基-苯[f]-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽(A6BfPI)、N-氨基己基-苯[e]-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽(A6BePI)和N-氨基己基-萘二甲酰亞胺鹽酸鹽(A6NI)的分子結構。b.(A6P)PbI₃、(A6BfP)PbI₃、(A6BeP)PbI₃和(A6N)PbI₃單晶的側視圖。c.?(A6BfP)₈Sn₇I₂₂的晶體結構。碳、氮、氧、鉛、錫和碘分別用黑色、藍色、紅色、灰色、紫色和紫色表示。為視覺清晰，省略了氫原子。

圖2、類鈣鈦礦材料/鈣鈦礦異質結構的構建??2024 Springer Nature

(A6P)PbI₃、(A6BfP)₈Pb₇I₂₂、A6BePI和A6NI表面鈍化的鈣鈦礦樣品的XRD圖譜（上），以及(A6P)PbI₃、(A6BfP)₈Pb₇I₂₂、(A6BeP)PbI₃和(A6N)PbI₃的理論XRD圖譜（下）。b.不同入射角下的一維（1D）(A6N)PbI₃/3D鈣鈦礦和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/3D鈣鈦礦異質結薄膜的GIWAXS圖譜。c.?1D (A6N)PbI₃和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂結構在3D鈣鈦礦薄膜上的結晶取向示意圖。

圖3、2D類鈣鈦礦/3D鈣鈦礦異質結的光電特性??2024 Springer Nature

高分辨率Pb 4fXPS峰和b.?由非2D配體、2D鈣鈦礦(PEA)₂PbI₄和2D類鈣鈦礦材料(A6BfP)₈Pb₇I₂₂鈍化的3D鈣鈦礦薄膜的PL強度統計，σ為標準偏差。c.?不同鈍化策略下PSCs的效率統計。d.?在85% RH和85°C下(PEA)₂PbI₄和(A6BfP)₈Pb₇I₂₂薄膜的時間依賴XRD圖譜。e.?在85% RH和85°C下2D (PEA)₂PbI₄和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂鈍化的3D鈣鈦礦薄膜的時間依賴XRD圖譜。f.?在85% RH和85°C下老化3小時前后，2D (PEA)₂PbI₄/3D鈣鈦礦和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/3D鈣鈦礦的飛行時間二次離子質譜分析。

圖4、鈣鈦礦太陽電池的光伏性能和穩定性??2024 Springer Nature

PSCs的截面SEM圖像。b.最高效小面積器件的J-V特性。c.?基于2D類鈣鈦礦材料/3D鈣鈦礦的器件的EQE曲線和積分電流密度。d.?最高效大面積（>1 cm²）器件的J-V曲線。e.?Newport認證的基于(A6BfP)₈Pb₇I₂₂鈍化的1 cm²器件的漸進式準穩態J-V曲線。f.?孔徑面積為28 cm²的鈣鈦礦光伏組件的J-V曲線和穩態輸出性能。g.?在85% RH和85°C下未封裝小面積器件穩定性。h.?在暴露空氣，100 mW cm^-2的連續光照，和85°C持續加熱條件下的1 cm²器件的最大功率點追蹤。

五、【成果啟示】

類鈣鈦礦材料由于其結構的穩定性，能夠有效阻止界面鈍化層的陽離子遷移。合理設計的陽離子配體不僅成功鈍化了鈣鈦礦表面缺陷，還減少了界面處的載流子復合。通過調節類鈣鈦礦材料在鈣鈦礦薄膜表面的維度和取向，實現了載流子在異質結構內部的高效傳輸。因此，研究團隊不僅在高溫條件下顯著提高了鈣鈦礦太陽電池的穩定性，還在大面積器件上實現了高效率。這表明，類鈣鈦礦材料在表面鈍化方面具有巨大的潛力，能夠顯著推動鈣鈦礦光電器件的大規模應用。

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六、【作者介紹】

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劉成：美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis和Edward H. Sargent課題組博士后研究員。主要研究方向為鈣鈦礦光伏器件及輻射探測器。目前以第一作者（含共同）身份在Science?(2篇)、Nature、Nat. Energy、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Energy Environ. Sci.等國際著名期刊上發表論文20余篇。在Nature和Science等期刊上合作發表論文50余篇，擁有國際和國內專利各一項。擔任Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Mater. Today Electron.等期刊審稿人。

楊熠：美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis和Edward H. Sargent課題組博士后研究員。長期致力于有機-無機雜化半導體材料的設計、合成、解析，以及其在光電器件應用等方面的研究。目前已第一作者/共同一作在Nature、Science、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Sci. Adv.等國際著名期刊上發表論文18篇。在Science和Nature等期刊上合作發表論文46篇，引用次數超過2100次，H指數26，擁有國際專利一項，國內專利兩項。擔任Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊審稿人。

陳昊：西北大學Sargent課題組博士后研究員。研究方向為單結/多結鈣鈦礦基光伏器件，于2023年取得了鈣鈦礦光伏器件準穩態認證效率世界紀錄26.15%，實現了反式結構鈣鈦礦器件準穩態認證效率超過正式結構。同時，將1 cm²器件認證效率世界記錄提升至25.2%。先后以第一作者（含共同）身份在Science (2篇)、Nature (3篇)、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Energy、Advanced Materials (3篇)等著名期刊上發表了多篇論文。擔任Nat.?Rev.?Mater.、ACS Photonics、Mater. Today Electron.等期刊審稿人。

鄭丁：電子科技大學光電科學與工程學院教授，博士生導師，顯示科學與技術四川省重點實驗室副主任，國家級青年人才項目入選者。2020-2023年在美國西北大學Tobin J. Marks、Antonio Facchetti以及Mercouri Kanatzidis課題組先后擔任博士后研究員以及研究助理教授。2023年在美國第一太陽能公司擔任高級研發工程師。長期從事基于半導體器件的人機交互柔性可穿戴技術研究，探索能源供給、傳感、存儲和計算的系統集成。在超柔性光伏、仿生可拉伸傳感和高密度運算存儲電路等領域取得多項創新成果，致力于推動柔性電子、腦機接口和人工智能等前沿領域的發展。以一作或通訊作者身份在Nature、Nat. Mater.、Adv. Mater.等著名期刊上發表論文13篇，SCI引用1300余次，3篇論文入選高被引論文，授權發明專利13項。

原文詳情：Cheng Liu, Yi Yang, Hao Chen, et al. Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells. Nature (2024).

https://doi.org/

本文由大橙子供稿