南开大学刘永胜团队ACS Nano: 17.25％效率！基于萘、蒽胺的2D钙钛矿太阳能电池研究进展

【引言】

近年来，钙钛矿太阳能电池的性能以惊人的速度增长，经美国国家可再生能源实验室（NREL）认证的光电转换效率已经达到25.2%，可与许多成熟的光伏技术相媲美，钙钛矿成为极具潜力的新一代光伏材料。然而，三维有机-无机杂化钙钛矿的不稳定性成为限制其商业化应用的主要瓶颈。相较于传统的三维有机-无机杂化钙钛矿，二维有机-无机杂化钙钛矿具有较好的稳定性，是解决钙钛矿稳定性问题的重要方法。但是大尺寸有机阳离子的引入，使得材料的载流子传输受限，导致二维有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率较低，限制了其进一步发展。而且关于二维钙钛矿中激子迁移和分离的机制仍然是一个有争议的问题。因此，探索开发更高效的二维钙钛矿材料以及深刻理解电荷载流子的分离和传输机制对于进一步提高二维钙钛矿太阳能电池的性能以及其日后商业化具有重要意义。

【成果简介】

近日，南开大学刘永胜教授团队开发了两种多环芳香族胺间隔阳离子，即1-萘甲胺阳离子（NpMA）和9-蒽甲胺阳离子（AnMA），制备了高效率且高稳定性的太阳能电池器件。研究发现在钙钛矿薄膜中，不同的层状二维相和三维相共存。通过核磁共振氢谱分析，研究人员证实了有机间隔阳离子与无机层之间存在强氢键相互作用。通过对钙钛矿中的相分布和晶体取向的研究有助于深刻理解多环芳香族胺（NpMA和AnMA）对二维钙钛矿太阳能电池性能的影响。研究人员通过使用高分辨率透射电子显微镜和超快速瞬态吸收光谱来研究二维钙钛矿的相分布和电荷载流子动力学，二维相和三维相之间的超快激子迁移过程可以实现有效的激子分离，电荷传输和收集。经过优化，基于NpMA-Pb的器件能量转换效率高达17.25％，是迄今为止报道的二维 RP钙钛矿太阳能电池(n < 5)的最高效率之一；获得1.24 V的高开路电压，是目前基于PEDOT：PSS的反式二维钙钛矿太阳能电池的最高值。基于AnMA-Pb的器件能量转换效率为14.47%。此外，由于多环芳香族胺间隔阳离子的优异疏水性以及有机间隔基阳离子（NpMA和AnMA）与无机层之间的强氢键相互作用，与三维钙钛矿太阳能电池相比，二维RP 钙钛矿太阳能电池显示出显著增强的稳定性。相关成果近期以“Phase Distribution and Carrier Dynamics in Multiple-Ring Aromatic Spacers-Based Two-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells”发表在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图1. 基于NpMA和AnMA的二维钙钛矿的化学结构、光物理以及形貌特征。

图2. 电池器件结构、性能及相关表征。

图3. NpMA-Pb和AnMA-Pb的晶体取向性和相分布特征。

图4. NpMA-Pb和AnMA-Pb的电荷载流子动力学。

图5. 二维钙钛矿激子迁移动力学示意图。

图6. 薄膜和电池器件的稳定性测试。

【小结】

本文开发了两种用于二维RP钙钛矿太阳能电池的多环芳香族胺间隔阳离子(NpMA和AnMA)，并制备了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。由于二维相和三维相之间的超快激子迁移过程，基于(NpMA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=4）的器件显示出1.24 V的高开路电压，能量转换效率高达17.25％；基于(AnMA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=4）的器件能量转换效率为14.47%。同时，与三维钙钛矿太阳能电池相比，二维RP 钙钛矿太阳能电池显示出显著增强的稳定性。该研究有助于深入理解二维RP钙钛矿太阳能电池的工作机制，并为进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供有效的途径。

文献链接：

Phase Distribution and Carrier Dynamics in Multiple-Ring Aromatic Spacers-Based Two-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells （ACS Nano, 2020, https://doi. org/10.1021/acsnano.0c00875）

本文由课题组eric供稿