近日，南方科技大学电气与电子工程系副教授Aung Ko Ko Kyaw课题组开发了一种新型的层状钙钛矿结构，以同时提高稳定性和效率。这项研究由南科大团队独立完成，研究成果发表在能源领域著名期刊《纳米能源》（Nano Energy）。

基于有机-无机金属卤化钙钛矿的钙钛矿太阳能电池（PSC）在光伏研究方面取得了巨大进展。PSC的能量转换效率（PCE）已超过25%，与单晶硅太阳能电池相当。对于如此高的效率，PSC可以在仅考虑效率的情况下为商业化做好准备。然而，器件在工作条件下具有较低稳定性，这仍然是其市场占有率面临的主要挑战。钙钛矿在潮湿、氧气、高温和光照下容易分解，因此构筑稳定结构的钙钛矿已成为技术瓶颈。近年来，2D层状钙钛矿比3D钙钛矿表现出更好的稳定性，但这种稳定性的提高是以牺牲效率为代价的。因此，如何在不牺牲效率的情况下提高稳定性是该研究领域的另一个挑战。

在创新方法中，2D-3D复合材料由“局域2D-3D异质结（L2D-3DH）”结构构筑，其中Dion-Jacobson（DJ）相2D钙钛矿选择性生长在3D钙钛矿的局部区域，特别是在晶界。与传统的2D-3D复合材料结构如覆盖结构和穿插结构相比，L2D-3DH结构具有许多优点。在覆盖结构中，由于有机间隔阳离子的低迁移率，水平取向的2D钙钛矿在3D钙钛矿上的全覆盖抑制电荷传输。在穿插结构中，电荷载流子可以通过垂直取向2D钙钛矿的无机平板传输，但控制垂直取向的过程复杂且困难。相比之下，晶体取向在L2D-3DH结构中并不是关键，因为由于2D片的部分覆盖，电荷载流子可以有效地通过3D的暴露区域传输。因此，L2D-3DH结构不会阻碍电荷传输，同时消除了垂直晶体取向的复杂过程。

图1. 不同结构2D-3D复合材料中的晶体取向和电荷传输

有趣的是，由于稳定的DJ相钙钛矿，部分覆盖2D钙钛矿可以有效地防止水分渗透。采用L2D-3DH结构制备的钙钛矿薄膜在70%的高湿度下存放90天后仍保持完整，但纯3D钙钛矿薄膜存放17天后开始降解。此外，L2D-3DH结构不影响器件效率，但覆盖结构由于电荷传输效率低而使器件效率降低。事实上，L2D-3DH结构甚至提高了器件效率，因为DJ 2D片通过钝化降低了陷阱密度并抑制了非辐射复合。因此，具有L2D-3DH结构的PCE达到20.1%，且无封装器件在高湿度（70%）下存放1300小时后，仍能保持初始效率的86%。

图2. （a-c）基于纯3D、L2D-3DH和2D-3D钙钛矿器件的J-V特征曲线；（d-e）钙钛矿薄膜和器件在70%湿度下的稳定性测试。

Aung Ko Ko Kyaw为论文的唯一通讯作者。Aung Ko Ko Kyaw课题组博士后李文辉为第一作者。博士研究生顾晓宇和单成伟对论文有重要的贡献。南科大是论文第一单位。 

此前，研究团队还与南京工业大学教授李公强合作，通过使用3-氟苄基碘化铵（3FBAI）作为大体积阳离子构筑准2D钙钛矿来获得高效稳定的PSC。在3FBAI阳离子的作用下，准2D钙钛矿薄膜呈现垂直取向，且晶界较少，几乎没有针孔。此外，准2D钙钛矿的制备是在湿度控制的环境空气中进行的（旋涂工艺为RH 20%，退火工艺为RH 70-90%），与目前文献报道的其它准2D钙钛矿相比显示出更多的优势，其中，低维钙钛矿的制备通常需要在惰性气体手套箱中进行。这项工作为在湿度控制的环境空气中通过简单易行的工艺制备高质量的准2D钙钛矿薄膜奠定了基础，对未来低成本PSC的工业化很具吸引力。研究结果发表在Chemical Engineering Journal，Aung Ko Ko Kyaw为论文的通讯作者，课题组研究助理赖雪为论文第一作者。南京工李公强和南科大化学系教授何凤为论文的共同通讯作者。南科大是论文第一单位。

图3.（a）准2D钙钛矿晶体结构示意图；（b）准2D钙钛矿的GIWAXS图案；（c）无针孔准2D薄膜的SEM图；（d）准2D基PSC的J-V特征曲线。 

除新型的钙钛矿结构外，课题组还与南科大孙小卫教授和王恺副教授的课题组合作，研究钙钛矿中的非故意掺杂，该掺杂源于工艺条件的变化，及其对器件性能的影响。研究发现，晶化过程中的退火时间和温度会导致钙钛矿中的非故意掺杂，由于费米能级移动而改变钙钛矿和电荷传输层之间界面的内建电场。根据他们的发现，远离光入射侧的界面处的强电场对于有效地提取电荷以改善器件性能非常重要。这一现象适用于正置（n-i-p）结构和反置（p-i-n）结构器件，可作为提高所有器件结构性能的通用策略。研究成果发表在Advanced Science并被选为底封面。课题组研究助理教授吴丹（现为深圳技术大学助理教授）、Aung Ko Ko Kyaw课题组博士后李文辉和王恺课题组研究助理刘皓宸为论文共同一作。Aung Ko Ko Kyaw、吴丹和王恺为论文共同通讯作者。

图4. （a-c）反置结构和（d-f）正置结构界面电场增强电荷提取示意图。

以上研究工作得到了广东省基础与应用基础研究基金、广东省普通高校量子点先进显示与照明重点实验室和广东省教育厅高校创新基金的资助。

论文链接：

1、Nano Energy: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106666 

2、Chemical Engineering Journal:  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130949 

3、Advanced Science: https://doi.org/10.1002/advs.202101729 

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李佰英

主图：丘妍

编辑：朱增光