陈永华教授课题组：离子液体型有机大体积铵分子盐制备高效稳定的二维Ruddlesden-Popper锡基钙钛矿太阳能电池

南京工业大学陈永华教授及其合作者利用新型离子液体型有机大体积铵分子盐替代传统的卤化物有机大体积铵分子盐成功制备了高效稳定的二维Ruddlesden-Popper锡基钙钛矿太阳能电池。

近年来，环境友好的金属卤化物锡(Sn)基钙钛矿太阳能电池(PSC)受到了广泛关注，并被认为是有毒的传统铅(Pb)基钙钛矿的理想替代品。然而，Sn-PSC的光电转换效率(PCE)远低于Pb-PSC (25.5% 认证)。除了效率低之外，稳定性差是Sn-PSC的另一个问题。

最近，二维Ruddlesden-Popper (2DRP) Sn基钙钛矿因其引入了疏水性的有机大体积铵分子以及形成了多量子阱结构，具有比传统三维Sn基钙钛矿材料更高的稳定性。考虑到其较低的毒性和更高的稳定性，2DRP Sn-PSCs为实现PSC的大规模实际应用提供了新途径。

但是在2DRP Sn钙钛矿中，引入的大体积有机铵分子盐和其他钙钛矿前驱体铵盐（例如FA⁺）之间存在强烈的竞争，使得2DRP Sn基钙钛矿的结晶过程变得更加复杂和不可控。因此，由于其在2DRP Sn基钙钛矿中具有独特的自由度，有机大体积铵分子盐在管理和控制2DRP Sn基钙钛矿的结晶过程中发挥着重要作用。然而，传统有机大体积铵分子盐中的卤素离子与钙钛矿前驱体的相互作用较弱，使其失去了控制这种复杂结晶过程的能力，这限制了2DRP Sn-PSC的进一步发展。

针对以上问题，南京工业大学先进材料研究院陈永华教授及其合作者使用新型离子液体型大体积铵分子盐乙酸丁铵(BAAcO)取代传统的卤化物大体积铵分子盐BAI以增强组分间相互作用并控制结晶过程来制备高效稳定的二维Ruddlesden-Popper相锡基钙钛矿太阳能电池。

不同于传统的卤化物有机大体积铵分子盐BAI，BAAcO中的醋酸根离子与钙钛矿前驱液（FA⁺和Sn²⁺）之间存在着强相互作用。这些强相互作用导致了可控中间相的形成，并有效延缓了2DRP Sn基钙钛矿的结晶速率。得益于BAAcO对于2DRP Sn基钙钛矿结晶过程的有效调控，基于BAAcO制备的2DRP Sn基钙钛矿薄膜具有平整的形貌、优异的晶体取向以及较窄的相分布。

最终制备的2DRP Sn钙钛矿太阳能电池的效率达到了10.36%，是目前已报道的2DRP Sn-PSC中的最高值（见下图）。并且，相应的未封装器件在氮气环境中保存了~600小时之后依然保持了初始效率的~90%。

这项工作为未来探索新型的有机大体积铵分子盐以增强组分间相互作用和控制晶体结晶过程提供了新的方向。

详见：Qiu J, Lin Y, Ran X, Wei Q, Gao X, Xia Y, Müller-buschbaum P, Chen Y. Efficient and stable Ruddlesden-Popper layered tin-based perovskite solar cells enabled by ionic liquid bulky spacers. Sci. China Chem., 2021, 64, https://doi.org/10.1007/s11426-021-1075-7

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通讯作者简介

陈永华 南京工业大学先进材料研究院，教授、博士生导师。入选第十四批江苏省六大人才高峰。主要从事柔性有机光电子材料与器件的研究工作。主持国家自然科学基金青年项目一项，省基础研究计划自然科学基金青年基金项目一项，省双创团队核心成员，参与国家重点基础研究发展计划项目二项，近年来，在柔性有机光电子材料与器件领域发表论文近60篇，包括Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Light: Science & Applications、Nano Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Funct. Mater.等，他引2000余次，h因子27。申请/授权中国专利8项、美国专利1项。撰写一部专著“Organic Semiconductor Heterojunctions and its Applicationin Organic Light-Emitting Diodes”(SpringerNature)和一部专著一个章节“White OLED Materials”in “Handbook of Advanced Lighting Technology”(Springer Nature)。

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