朱凯/鄢炎发最新Science
第一作者：Fei Zhang, So Yeon Park, Canglang Yao
通讯作者：Fei Zhang, 鄢炎发, Bryon W. Larson, 朱凯
通讯单位：美国国家可再生能源实验室, 美国托莱多大学
DOI: 10.1126/science.abj2637
背景介绍
钙钛矿太阳能电池 (PSC)是一种很有前途的光伏 (PV) 技术，经认证的功率转换效率 (PCE) 高达 25.5%。尽管具有如此高的性能，但设备的稳定性阻碍了它们的商业化。目前提高器件稳定性的途径包括缺陷钝化、接触层修饰和封装等。使用二维 (2D) 钙钛矿作为界面改性层具有解决表面缺陷的巨大潜力，特别是提高 PSC 的稳定性和效率。Ruddlesden-Popper (RP) 2D 层状钙钛矿基于大体积阳离子，如苯乙基铵 (PEA+) 或丁基铵 (BA+)，已广泛应用于 3D 钙钛矿薄膜的表面，以降低缺陷密度并提高器件稳定性。这种庞大的有机阳离子通常会自组装成阻挡层，以防止表面水吸附或进入。然而，基于大体积阳离子的 2D 结构通常表现出各向异性和跨有机层的不良电荷传输，并且容易形成电荷提取势垒，从而抑制设备的高效运行。
本文亮点
1、作者使用不对称的大体积有机分子降低传输能垒，展示了一种以最大限度地提高基于亚稳态 Dion-Jacobson (DJ) 2D 钙钛矿表面层的面外空穴传输，从而获得高效和稳定PSC的合理设计策略。
2、最大化了跨亚稳态 Dion-Jacobson (DJ) 2D 钙钛矿层的空穴传输，使用亚稳态 DJ 2D 表面层，三种常见 3D PSC 的 PCE 提高了约 12-16%，并且可以达到约 24.7%。
3、制备三重阳离子混合卤化物 PSC，在 N2 中约 40°C 下 1-sun 操作 1000 小时后仍能保持90% 的初始 PCE。
图文解析
图1. 基于2D 钙钛矿中最大化面外电荷传输的一般设计策略。
要点：
1、自由电子和空穴位于导带最小值 (CBM) 和价带最大值(VBM) [ PbI6] 平面，由于两个相邻的 [PbI6] 平面之间的距离很长，面外电荷传输必须穿过庞大的阳离子有机层。
2、基于短单层二价有机铵阳离子的 DJ 2D 结构通常比基于双层单价有机铵阳离子的 RP 2D 结构更优选。
3、优化 [PbI6] 平面和庞大的阳离子有机层之间的能带偏移，具有短阳离子有机层的亚稳态DJ 2D 结构原则上可以促进面外空穴传输。
4、在 DJ 2D 结构中诱导所需的亚稳态 H 键基序的合理策略是使用不对称二铵阳离子代替对称直链二价阳离子。
5、提出了来自不对称大体积有机阳离子层降低的能量势垒可以促进无机 [PbI6] 层之间电荷传输的假设。
图2. 二维薄膜结构、传输和器件表征。
要点：
1、与其他取向排列相比，相邻 DMePDA2+ 阳离子（最稳定的取向配置）的交替相对头尾排列为整体结构松弛提供了更大的补偿。
2、空穴传输的能量势垒降低后， 时间分辨微波电导率 (TRMC) 测量表明DMePDAPbI4（或更具体地说 DMePDAPbI4-2）的面外传输比BDAPbI4 快约 4 到 5 倍。
3、基于 DMePDAPbI4 的 PSC 达到了4.90%（正向扫描）和 4.33%（反向扫描）的 PCE，这是迄今为止任何 n=1 二维碘化铅 PSC获得的最高值之一。
4、这些结果证实了降低能垒对改善面外电荷传输的作用。表明3D有机-无机卤化物PSC的性能可以通过使用具有有效电荷传输的 2D 层状钙钛矿进行表面处理来增强。
图3. DMePDAPbI4表面处理钙钛矿结构表征。
图4. 表面处理钙钛矿器件光伏性能表征。
要点：
1、基于DMePDAI2表面处理FA0.97MA0.03PbI2.91Br0.09PSC的PCE 从正向扫描的 22.0% 提高到24.7%，从反向扫描的21.8% 提高到24.5%，其中 Jsc > 25 mA/cm2，在与 EQE 谱一致。
2、对于所有三种钙钛矿组合物，基于对照和DMePDAI2 修饰的钙钛矿薄膜PSC 的稳定功率输出（SPO）与J-V 测量结果匹配良好。
3、统计分析了DMePDAI2 修饰的 PSC在连续运行1000 小时后仅10% 的相对效率下降，而对照组的 PCE 下降了约 43%。
4、结果表明DMePDAI2 修饰形成2D DJ 相位表面层是提高 PSC 性能的通用方法。
5、通过基于不对称大体积有机分子的氢键调谐使用亚稳态 2DDJ 结构，证实了钙钛矿界面工程是一种有前途的化学设计策略，以提高 PSC 的效率和稳定性。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2637