研究背景
隨著鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）性能的持續(xù)提升，單結(jié)構(gòu)小尺寸設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率已超過了26%。然而，近年來，二維鈣鈦礦表面鈍化層的應(yīng)用成為提高效率的重要策略之一。盡管如此，活性陽離子在高溫條件下的遷移仍然是一個(gè)嚴(yán)重的問題，這會導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中脆弱的角共享八面體連接被破壞，加速薄膜的降解，嚴(yán)重影響了器件的長期穩(wěn)定性和效率。為了解決這些問題，科學(xué)家們開發(fā)了非二維鈣鈦礦配體策略，旨在限制間隔物進(jìn)入鈣鈦礦晶格，從而抑制表面離子遷移，即使在高溫下也能保持較好的性能。然而，這些策略通常存在與間隔物-鈣鈦礦表面相互作用強(qiáng)度的權(quán)衡，尤其是在大面積鈣鈦礦膜的情況下，其鈍化效果有所限制。針對這一問題，美國西北大學(xué)Mercouri G. Kanatzidis院士、Edward H. Sargent院士、Tobin J. Marks院士、Antonio Facchetti教授和Ding Zheng博士攜手探索了一種全新的途徑，即引入邊緣共享和面共享設(shè)計(jì)元素到類鈣鈦礦材料中。類鈣鈦礦材料具有更為致密的有機(jī)-無機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能有效抑制陽離子的擴(kuò)散，并優(yōu)化鈣鈦礦表面的鈍化效果。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和合成了一系列不同構(gòu)型的類鈣鈦礦材料，這些分子具有多樣的有機(jī)銨基配體，包括異環(huán)化合物、芳香族化合物和多烷基化合物，用作鈣鈦礦表面的鈍化材料。相關(guān)成果在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells”的最新論文。最終，基于類鈣鈦礦材料/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太陽能電池器件實(shí)現(xiàn)了出色的穩(wěn)定性和效率。本研究為鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的設(shè)計(jì)指南和理論基礎(chǔ)，為解決目前PSCs面臨的穩(wěn)定性和效率問題提供了新的解決方案和啟示。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次利用新型鈣鈦礦體（類鈣鈦礦材料）如A6BfP8Pb7I22，通過探索不同維度的鈣鈦礦體及其與傳統(tǒng)二維/三維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的比較，得到了關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)。（2）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的二維/三維鈣鈦礦相比，新型鈣鈦礦體在阻礙陽離子遷移和改善鈣鈦礦表面鈍化方面表現(xiàn)更為出色。增加鈣鈦礦體的維度提高了其與三維鈣鈦礦的界面接觸效率，并通過增強(qiáng)的八面體連接性和垂直取向優(yōu)勢提高了電荷傳輸效率。尤其是A6BfP8Pb7I22能夠有效修飾鈣鈦礦表面，實(shí)現(xiàn)了均勻且大面積的鈣鈦礦膜制備。器件在經(jīng)過長期高溫（85°C）和空氣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的證據(jù)表明，這種新型結(jié)構(gòu)的潛力和可靠性。 （3）通過鈣鈦礦體的設(shè)計(jì)和合成策略，如引入邊緣-/面共享元素和優(yōu)化有機(jī)銨基團(tuán)的排列方式，進(jìn)一步加強(qiáng)了八面體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和鈣鈦礦表面的鈍化效果。這些研究為理解和優(yōu)化類鈣鈦礦材料/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能提供了重要的設(shè)計(jì)指南和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
圖文解讀
圖1：類鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)與合成。圖2：類鈣鈦礦材料/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。 圖3：2D類鈣鈦礦/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的光電特性。圖4：鈣鈦礦太陽電池的光伏性能和穩(wěn)定性。
總結(jié)展望
本文通過引入具有邊緣-/面共享結(jié)構(gòu)的類鈣鈦礦材料，作為鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的新型表面鈍化材料。傳統(tǒng)的二維鈣鈦礦表面鈍化層存在陽離子遷移和脆弱的角共享八面體連接問題，在高溫環(huán)境下易導(dǎo)致性能下降。相比之下，類鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)通過增強(qiáng)的有機(jī)-無機(jī)界面相互作用，有效抑制了陽離子的擴(kuò)散，提高了PSCs的長期穩(wěn)定性和效率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了增加類鈣鈦礦材料維度對電荷傳輸?shù)姆e極影響，其優(yōu)異的空間取向和八面體連接性，為優(yōu)化PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率提供了新的設(shè)計(jì)思路。 此外，本文通過詳細(xì)分析不同類鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)的晶體結(jié)構(gòu)和材料特性，揭示了其在PSCs應(yīng)用中的關(guān)鍵優(yōu)勢。特別是A6BfP 類鈣鈦礦材料的成功應(yīng)用展示了其在大面積器件上的潛力，表明其不僅能有效修飾鈣鈦礦表面，還能保持在極端條件下的穩(wěn)定性。Liu, C., Yang, Y., Chen, H. et al. Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07764-8
