近日，山东大学前沿交叉科学青岛研究院物质创制与能量转换科学研究中心酒同钢教授研究组在碘化铅甲脒（FAPbI3）钙钛矿电池表面性质研究方面取得新进展，相关研究成果以“Growth of 2D Passivation Layer in FAPbI3 Perovskite Solar Cells for High Open-Circuit Voltage”为题发表在国际知名期刊《Nano Today》上，山东大学为该论文的第一完成单位。
FAPbI3钙钛矿具有更为合适的光学带隙，是制备高性能钙钛矿太阳能电池的首选材料之一。然而高性能的FAPbI3结构不容易得到，从液相前驱体快速结晶到固相的过程容易产生大量的缺陷，其离子型软晶格结构会导致表面晶界的离子紊乱无序，引起多种渠道的光生载流子损耗及压降损失，造成电池的开路电压远低于理论值。此外FAPbI3钙钛矿太阳能电池在工作时容易产生严重的非辐射复合，不仅限制了光电转换效率的进一步提高，同时也导致器件稳定性变差。
图1：二维钙钛矿钝化表面结构示意图
针对上述问题，酒同钢教授研究组与汕头大学鲁福身教授、青岛科技大学赵英杰教授合作，在FAPbI3钙钛矿电池表面性质研究方面取得了一系列进展。首先，研究人员通过离子交换策略，应用更稳定的乙脒阳离子替换表面不稳定的甲脒阳离子，填补表面的空位缺陷，降低表面结构无序度和能量损失【Small Methods 2021, 5, 2101079】。进一步，研究人员在钙钛矿表面引入4-氯苯甲脒盐酸盐，应用形貌和结构双维度调控策略进行表面缺陷钝化，诱导生长形成一维纳米棒状钙钛矿，钝化三维钙钛矿表面及晶界空位缺陷，减小非辐射复合损失【Small 2021, 2104100, DOI:10.1002/ smll.202104100】。
图2：低维钙钛矿构筑提升太阳能电池效率及稳定性
近日，研究组进一步证实了低维钙钛矿构筑对FAPbI3钙钛矿太阳能电池性能的调控作用。研究人员从分子结构性质调控出发，将相对短链的环丙甲脒盐酸盐（CPAH）应用于FAPbI3钙钛矿表面缺陷钝化研究。在避免长烷基链绝缘效应的基础上，CPAH中环丙基的空间效应使得三维钙钛矿表面诱导生成更为稳定的二维钙钛矿，所制备的二维/三维钙钛矿薄膜在能级、薄膜形貌及缺陷态密度等性质方面均得到有效调控。二维钙钛矿钝化层可有效抑制电荷复合并促进电荷转移，因此器件最优开路电压损失降低至0.34 eV，能量转换效率达到22.8%，同时器件的湿、热和光稳定性显著提高【Nano Today 2022, 42, 101357】。
以上工作为新型有机卤化物盐在钙钛矿太阳能电池器件性能优化中的应用提供了新思路，文章第一作者分别为物质创制与能量转换科学研究中心联合培养硕士研究生王进、陈司淇以及副研究员刘乐。上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东大学杰出中青年学者科研启动基金等项目的支持。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101079
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104100
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221002826
