刘生忠：气相熏蒸法制备高效且稳定的二维钙钛矿太阳能电池

nifan

三维钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其极高的能量转换效率与易制备的特性而引起极大的关注，然而，它们的环境不稳定性一直是商业化的主要挑战。Ruddlesden–Popper二维钙钛矿材料具有很强的光化学稳定性，因而已经成功用于光伏与光电器件领域。二维钙钛矿材料的化学通式为(RNH3)2PbX4，其中R是有机链，X是卤素，其是由插入在RNH3有机势垒面之间的铅卤层所组成。与三维钙钛矿相比，二维材料通常采用的长链有机疏水阳离子使其具有更强的湿度稳定性。当二维网络结构的厚度降低至载流子德布罗意波长时，对电荷行为产生量子限域效应并形成典型的量子阱（QW）结构，这样使玻尔半径减半并使激子结合能急剧增大；与此同时，二维材料有机层与无机层之间的介电常数相差较大也大大增加了激子结合能，降低电荷解离几率。因此，迫切需要一种可靠的制备方法来制备出可替代当前二维钙钛矿的材料，以降低激子结合能和QW效应。

近日，陕西师范大学刘生忠教授与宾夕法尼亚州立大学杨栋和Shashank Priya合作采用气相熏蒸技术制备出一种甲氨基（MA）基二维钙钛矿薄膜。与传统的丁基胺二维钙钛矿相比，由于MA的高介电常数，使这种材料的激子结合能从510 eV显著地降低至172 eV。理论计算和实验分析表明基于MA的二维钙钛矿具有窄带隙、良好的导电性以及低陷阱密度等优点，该二维PSCs的能量转换效率（PCE）高达16.92%，由中国计量院认证的效率达16.6%，是迄今为止二维PSCs的最高效率。此外，器件在光照以及暴露在空气中时展现出卓越的长时间稳定性，在60 ℃的氩气环境下持续光照500小时，其效率可以保持为初始值的97.2%，即使在环境空气中光照测试500小时以上，未封装器件的PCE也仅仅降低3.8%。该研究成果以题为“Vapor-fumigation for record efficiency two-dimensional perovskite solar cells with superior stability”发表于著名能源期刊EES上。

本文成功地采用气相熏蒸法制备出高PCE的二维MA2PbI4钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池无论处于黑暗还是光照下都展现出极佳的长期稳定性。该二维钙钛矿材料具有小的激子结合能、高的载流子隧穿概率以及对环境具有强的抵抗性等优点是拥有如此突出的光电性能的主要原因。高的能量转换效率和稳定性表明该方法有望为制备高质量二维钙钛矿的潜在商业应用提供一条可行的路径。

文献连接：Vapor-fumigation for record efficiency two-dimensional perovskite solar cells with superior stability（EES, 2018, DOI: 10.1039/c8ee02284d）