研究背景
使用二維 (2D) 鈣鈦礦鈍化三維 (3D) 鈣鈦礦光吸收層是一種有效策略，有助于提高鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的穩定性和光電轉換效率 (PCE)。這種2D層具有優異的疏水性和熱穩定性，更重要的是，它們可以鈍化3D鈣鈦礦表面的缺陷，從而減少界面電荷復合并改善載流子傳輸。因此，大量研究致力于探索新型配體，以形成更有效的2D鈍化層。然而，關于2D鈣鈦礦封蓋層形成均勻性的報道較少，而這一點對大尺寸鈣鈦礦太陽能模塊 (PSMs) 更為重要。2D鈍化層在形態和相分布方面的高均勻性極為重要。否則，2D相的低覆蓋率和隨機分布會主導界面處不良的能量無序，從而降低器件性能。對于使用烷基胺配體的2D鈣鈦礦組裝，較小的間隔有利于形成較高n值的結構，因為擴散較為容易。相反，較長的配體長度通常更容易產生較小n值的2D結構，其中n表示2D結構中PbX64-層的數量，X為鹵素。然而，這兩種情況通常會在3D鈣鈦礦表面產生不同n值結構的混合，導致2D相分布不均。此外，選擇不同鹵素的配體也會形成基于不同鹵素或n值的2D相。例如，Zhang等人使用新戊基胺（neo-PA+）鹽研究了鹵素選擇對2D鈣鈦礦相組成的影響，發現neoPABr和neoPAI生成了純n=1的碘化物2D鈣鈦礦薄膜，而neoPACl則由于Cl-的高電負性導致形成了混合相（n=1和2）的2D鈣鈦礦封蓋層。這種引入的界面能量無序會作為復合通道，毫無疑問會降低3D/2D鈣鈦礦雙層的界面電荷傳輸性能。為在PSMs的規模化過程中盡量減少效率損失，深入理解2D結構的形成動力學并均勻化2D鈍化層至關重要。 最近的一些研究表明，均勻n值的2D鈣鈦礦的鈍化效果優于確保高效和穩定的光伏器件。例如，Jang等人通過精確控制形成條件，在3D鈣鈦礦上實現了相純n=1的2D鈣鈦礦（(C4H9NH3)2PbI4或BA2PbI4）的固態平面生長，展示了效率高達24.8%的穩定3D/2D PSCs。Siraj等人調整溶劑以精確制備特定n值的BA基2D鈣鈦礦3D/2D雙層堆疊，使得均勻n=3的2D封蓋層展現出T99超過2000小時的優異操作穩定性。然而，這些技術是否適用于大尺寸PSMs的規模化制造，以及是否可以應用于其他種類的2D材料仍不確定，特別是長鏈烷基胺配體的2D材料，因其固有的疏水性和強立體障礙阻礙離子遷移，被認為更穩定。因此，系統性地調控2D結構的形成動力學，對于追求高效和穩定的PSMs具有重要意義。為此，武漢理工大學卜童樂研究員、麥立強教授和黃福志研究員（共同通訊作者）等人在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules”的最新論文。他們系統地研究了典型2D配體與不同鹵素對2D鈣鈦礦鈍化層均勻性的影響。作者首次發現雙鹵化合金2D鈣鈦礦中存在鏈長依賴的相分離問題，并揭示了通過引入三鹵化物組合可以成功消除這種問題。此外，作者開發了一種通用策略，通過在大尺寸有機鈍化劑中引入甲脒（FA）陽離子，實現了相純n值的2D鈣鈦礦封蓋層，具有均勻的形貌。在此基礎上，長鏈烷基胺配體（如十二烷基銨，DA）能夠實現高質量、穩定的3D/2D鈣鈦礦異質結構，具備更均勻的形貌、更少的缺陷和更快的界面電荷傳輸。在作者的無抗溶劑沉積策略基礎上，小尺寸（0.14cm2）、大尺寸（1.04cm2）器件及小型模塊（13.44cm2）的冠軍活性面積效率分別達到25.61%、24.62%和23.60%，顯示出每十倍放大效率損失小于5%。此外，相應的封裝太陽能小模塊在最大功率點跟蹤（MPPT）下的連續光照操作中表現出超過2000小時的T80壽命。最值得注意的是，該策略可以輕松通過印刷技術進行放大，實現20cm × 20cm和30cm × 30cm的大面積PSMs的冠軍效率分別為18.90%和17.59%，對應的孔徑面積分別為310cm2和802cm2。
研究亮點
(1) 實驗首次提出使用二維（2D）鈣鈦礦層鈍化三維（3D）鈣鈦礦光吸收層的策略，以提高鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的穩定性和光電轉換效率（PCE）。研究顯示，2D鈣鈦礦層不僅具有出色的疏水性和熱穩定性，還可以有效鈍化3D鈣鈦礦表面的缺陷，減少界面電荷復合并提升載流子傳輸。(2) 實驗通過系統研究不同鹵素配體的作用，發現雙鹵化合金2D鈣鈦礦層存在相分離問題。通過引入三鹵化物組合，成功消除了該問題，從而實現了相純n值的2D鈣鈦礦封蓋層，并且該封蓋層在形態和相分布上更均勻，大大提高了鈣鈦礦異質結構的界面質量。 (3) 本研究進一步開發了一種無抗溶劑沉積策略，在0.14cm2、1.04cm2和13.44cm2的不同尺寸鈣鈦礦器件上分別實現了25.61%、24.62%和23.60%的冠軍效率，且在放大規模的過程中效率損失小于5%。(4) 在此基礎上，研究驗證了鈣鈦礦太陽能小模塊在封裝后的穩定性，連續光照下最大功率點跟蹤壽命（T80）超過2000小時。此外，該策略還適用于印刷技術的大規模放大，成功實現20cm × 20cm和30cm × 30cm的大面積鈣鈦礦模塊，其冠軍效率分別為18.90%和17.59%，顯示出廣泛的應用潛力。
圖文解讀
總結展望
本研究報告了一種有效且可擴展的鈍化策略，該策略通過抑制成分和維度上的不利相分離，實現了在3D鈣鈦礦表面上均勻形成相純的2D鈣鈦礦封蓋層。通過將FABr選擇性地摻入DABr用于3D鈣鈦礦后處理，促進了2D鈣鈦礦從混合相（n=1和2）轉變為純相（n=2），并具有較低的形成焓、較小的混合焓和更快的形成動力學，從而有助于形成均勻的形貌、更少的缺陷、更快的界面電荷傳輸以及結構穩定的3D/2D異質結。因此，分別在小尺寸器件（0.14cm2）、大尺寸器件（1.04cm2）和小型模塊（13.44cm2）上實現了25.61%（認證為24.95%）、24.62%（認證為24.04%）和23.60%的冠軍效率，展示了隨著有效面積增加，效率損失相對較小。此外，太陽能小模塊在最大功率點跟蹤（MPPT）下的T80壽命超過2000小時，顯示出卓越的穩定性。最為顯著的是，20cm × 20cm和30cm × 30cm的大尺寸PSM也分別在310cm2和802cm2的孔徑面積上展現出18.90%和17.59%的冠軍效率。這個均勻化的低維結構鈍化策略具有加速PSM商業化的巨大潛力。 Li, J., Jin, C., Jiang, R. et al. Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01667-8
