王建浦:取向准二维钙钛矿用于高性能光电器件

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三维金属卤化物钙钛矿太阳电池效率已突破23%，但是稳定性问题依然是限制其进一步商业化的瓶颈。准二维钙钛矿的结构通式为L2Sn-1MnX3n+1，其中n为整数，M为二价金属，X为卤素阴离子，L和S分别为大小尺寸的有机阳离子。上述准二维钙钛矿存在天然形成的量子阱(QW)结构，其中半导体无机层状骨架为势阱，大尺寸有机阳离子形成的介电层为势垒。与传统的三维钙钛矿相比，准二维层状钙钛矿由于结构中体积较大且疏水的有机分子而显示出更好的稳定性，已成为太阳能电池领域的研究热点，然而大的带隙、高的激子束缚能以及较差的层间电荷传输性质限制了器件效率的提升。目前研究人员已提出两种主要策略来提高准二维钙钛矿太阳能电池器件性能。一种是增加两种相邻有机绝缘介电层之间的无机骨架的层数(n值)，但在一定程度上降低了稳定性。另一种方法是调控晶体垂直于基底生长以实现快速电荷传输，然而由于较窄的吸收光谱和较高的激子束缚能，其器件效率仍远低于三维钙钛矿太阳能电池。

近日，南京工业大学黄维院士、王建浦教授等利用3-溴苯甲胺碘(3BBAI)制备了高效且水稳定的准二维钙钛矿太阳能电池，其功率转换效率(PCE)达18.20 %，并在Adv. Mater.上发表了题为“Oriented Quasi-2D Perovskites for High Performance Optoelectronic Devices”的研究论文，博士研究生杨荣和李仁志副研究员为共同第一作者。未封装器件在相对湿度40%的大气环境放置2400 h后，效率仍保持初始值的82%以上，并且浸入水中60 s后光伏参数几乎不变。钙钛矿太阳能电池的优越性能应归因于具有疏水性、高度电子有序性、高结晶度的准二维钙钛矿薄膜。该薄膜上层是高度取向生长的三维钙钛矿组分，其较小的带隙和低的激子束缚能可实现低能太阳光子利用和高效电荷分离，而薄膜底部是竖直生长的宽带隙钙钛矿组分，有利于实现高效的电荷传输。此外，由于抑制了非辐射复合，该器件也能作为发光二极管(LED)很好的工作，可达3.85 %。大气环境下，未封装器件在200 mA·cm-2的高电流密度下工作寿命约96 h。

综上所述，作者利用3BBAI基准二维钙钛矿薄膜了实现高性能太阳能电池和LED应用。该双层结构薄膜的上层是高度取向的大n值钙钛矿组分，而下层是垂直生长的小n值钙钛矿。这种独特的微观结构赋予了钙钛矿薄膜能量有序和高结晶性，以及良好的电荷传输、较低的非辐射复合和优异的水稳定性。作者的研究结果表明，3BBAI基准二维钙钛矿材料有望实现高效稳定的钙钛矿光电器件，而精确调控钙钛矿薄膜生长是实现这一目标的关键因素。

文献链接：Oriented Quasi-2D Perovskites for High Performance Optoelectronic Devices (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804771)