主编推荐 | 北科大田建军：二维Ruddlesden–Popper卤化物钙钛矿薄膜太阳能电池中晶体取向生长调控的研究进展
2022
有机–无机金属卤化物钙钛矿由于高吸光系数，低激子结合能，高载流子迁移率，长载流子扩散距离等优异的光电性质而备受关注。目前报道的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过了25%。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题限制其向商业化的进一步发展。二维（2D）Ruddlesden-Popper（RP）钙钛矿材料除继承了三维钙钛矿的优异光电性能外，还因其含有疏水性有机间隔阳离子能够阻挡水分表现出了优异的稳定性，能够一定程度上改善上述问题。另一方面，有机间隔阳离子会阻碍载流子传输，抑制离子迁移，提高钙钛矿的结构稳定性。2D RP钙钛矿独特的结构对其生长取向有特殊的要求。因此，二维钙钛矿晶体取向对于钙钛矿太阳能电池的电荷传输与提取，以及光电转换效率十分重要。
近日，北京科技大学田建军教授领导的“光电功能材料与器件”研究团队在Int. J. Miner. Metall. Mater. 上发表了题为“Controlled crystal orientation of two-dimensional Ruddlesden–Popper halide perovskite films for solar cells”的综述文章，系统地总结了近几年钙钛矿太阳能电池中2D RP钙钛矿薄膜晶体取向的调控在制备方法和溶液组分相关的工作，欢迎各位学者阅览。
——吴爱祥
文章信息
二维Ruddlesden–Popper卤化物钙钛矿薄膜太阳能电池中晶体取向生长调控的研究进展 （点击阅读原文）杜玖瑶，张勐萁，田建军
介绍了2D RP相钙钛矿材料的结构和晶体取向。
归纳了制备方法和溶液组分对2D RP相钙钛矿晶体取向的影响。
对2D RP相钙钛矿太阳能电池的研究工作进行了展望。
内容简介
02
本文首先介绍了2D RP钙钛矿材料的结构与晶体取向以及其特殊的性质。然后系统地介绍了通过制备方法和溶液组分以实现对2D RP钙钛矿晶体取向的调控。2D RP钙钛矿结构类似于三明治结构，即钙钛矿八面体层两侧被有机间隔阳离子夹在中间。由于有机间隔阳离子的疏水性，提高了其对湿度的稳定性；也因有机间隔阳离子链的不导电性，导致钙钛矿薄膜中电荷载流子的传输途径只能依赖于钙钛矿层。因此，2D RP钙钛矿的独特结构对其生长方向有着特殊要求。调控2D RP钙钛矿晶体取向的生长方向是提高太阳能电池性能的一个非常重要的因素。从制备工艺方面，早期的一步旋涂法逐渐发展为热辅助法、真空极化法和溶剂蒸汽退火法等。这种热辅助方法通过加速中间相的转变来控制二维钙钛矿薄膜的生长方向。而溶剂蒸汽退火法使用溶剂蒸汽来诱导2D相重组。从溶液组分方面，添加剂和修饰的有机间隔阳离子主要通过官能团与钙钛矿八面体之间的相互作用调控2D RP钙钛矿晶体的生长方向。因此，使用适当的制备方法和溶液组分以获得高性能的2D RP钙钛矿太阳能电池十分重要。目前，2D RP 钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已超过20%。
最后，本文对2D RP钙钛矿太阳能电池的研究工作进行了展望。文中指出，与传统的3D钙钛矿太阳能电池相比，2D RP钙钛矿太阳能电池在性能方面还有较大的提升空间。因此，2D RP钙钛矿太阳能电池的研究工作应着眼于有机间隔阳离子官能团的改进、二维相成分和相分布的优化以及相应的机理研究。随着越来越多的研究者对2D RP钙钛矿材料的深入研究，有望实现高效、稳定的2D RP钙钛矿太阳能电池。
图1 （a）2D RP钙钛矿晶体结构及（b）电子、空穴和水分子传输路径示意图。
2D RP钙钛矿晶体结构可以认为是n层[PbX6]4―八面体两侧被有机间隔阳离子夹在中间（图1（a））。有机间隔阳离子和有机间隔阳离子之间是通过范德华力连接相邻2D RP钙钛矿相。如图1（b）所示，在2D RP钙钛矿器件中，体积大疏水的有机间隔阳离子可以阻挡水分子，增强2D RP钙钛矿的稳定性；有机间隔阳离子也会阻碍载流子传输，抑制离子迁移，提高钙钛矿的稳定性。
03
北京科技大学“光电功能材料与器件”研究团队隶属于新材料技术研究院，拥有教授、副教授和博士后4人，博士和硕士研究生30多名。研究团队主要致力于半导体纳米材料（胶体量子点/阱）和低维钙钛矿结构功能薄膜及其在新型光电子领域中的应用研究，主要涉及新型发光二极管、太阳能电池和宽波域自驱动光电探测器等。研究团队成员在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett.，Energy Environ. Sci.和ACS Energy Lett.等期刊上发表学术论文150多篇，其中近5年有30多篇学术论文发表在IF>10的期刊上。
供稿：杜玖瑶
排版：IJMMM
《矿物冶金与材料学报（英文版）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2020 JCR影响因子为2.232，在冶金与冶金工程学科位于Q2区。2020 CiteScore为3.2，在材料科学-金属与合金类期刊中排名第41位（共153种期刊），位于Q2区前列。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。
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