准二维无铅钙钛矿太阳能电池

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

近年来，钙钛矿太阳能电池光电转换效率已经超过了25%，具有广泛的实际应用前景，然而钙钛矿材料的不稳定性及铅的毒性是阻碍其进一步的发展瓶颈。最近，中国科学院化学研究所宋延林研究员（点击查看介绍）团队与郑州大学张懿强副教授（点击查看介绍）合作，通过调控钙钛矿结构，制备出高效率、高稳定性的准二维无铅钙钛矿太阳能电池。

有机无机金属卤化物钙钛矿作为一种直接带隙半导体材料，具有带隙可调、载流子迁移率高、成本低廉及易于加工等优点，是新一代薄膜太阳能电池的代表性材料。然而，三维（3D）钙钛矿中铅的毒性及在空气中的不稳定性严重阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。近年来，锡（Sn）基三维无铅钙钛矿作为替代材料得到了长足发展。尽管Sn的毒性远小于Pb，但是Sn基钙钛矿同样对水氧敏感，而且还存在Sn²⁺易氧化等问题。准二维（2D）Sn基钙钛矿作为3D Sn基钙钛矿的延伸材料，因其疏水性强、抑制离子迁移及较低的自掺杂效应，稳定性远高于3D Sn基钙钛矿。然而，由于2D材料结构的特殊性，电子或空穴受量子尺寸效应限制，其寿命和迁移率远低于3D结构，因而其器件光电转化效率明显低于3D钙钛矿。这种稳定性与高效率之间的矛盾成为无Pb实际应用的一个难题。

中科院化学所宋延林研究员团队与郑州大学张懿强副教授合作，成功实现了高效率、高稳定的无铅准2D钙钛矿太阳能电池的制备。首先将疏水性有机分子1,4-丁二胺引入到Sn基无铅钙钛矿中，合成了一系列具有Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿。如图1所示，具有典型准2D结构的(BEA)FA₂Sn₃I₁₀钙钛矿结构对称性较好，光吸收窗口与三维相比并没有明显减少，并具有合适的禁带宽度。第一性原理计算表明，(BEA)FA₂Sn₃I₁₀具有大的形成能（10⁶j/mol），结构稳定。另外，(BEA)FA₂Sn₃I₁₀薄膜致密性良好，载流子局域化作用并不明显，结合一维扩散方程，计算出的电子扩散长度为450 nm，空穴扩散长度为360 nm，载流子迁移率为14.4 cm² V^-1 S^-1。利用该(BEA)FA₂Sn₃I₁₀薄膜制备的太阳能电池，光电转换效率高达6.34%，是目前报道的Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿太阳能电池的最高值。

同时，器件的稳定性得到了显著提升。在自然条件下，未封装的器件经过1000小时的老化，效率仅仅衰减8%。另外，在100℃高温条件下测试中发现，经过50小时，(BEA)FA₂Sn₃I₁₀薄膜没有发生明显分解，器件的光电转换效率几乎没有衰减。最后，在光照稳定性测试中发现，经过200小时，器件效率仍保持90%以上。而对比实验发现，FASnI₃器件在同样条件下衰减35%以上。通过这种新型低维无铅钙钛矿结构设计，同时实现了高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池，对钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要意义。

该研究成果近日发表于Angewandte Chemie International Edition 上，第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生李鹏伟。

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Low‐Dimensional Dion–Jacobson‐Phase Lead‐Free Perovskites for High‐Performance Photovoltaics with Improved Stability

Pengwei Li, Xiaolong Liu, Yiqiang Zhang, Chao Liang, Gangshu Chen, Fengyu Li, Dr. Meng Su, Guichuan Xing, Xutang Tao, Yanlin Song

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202000460

导师介绍

宋延林：中国科学院化学研究所研究员、博士生导师，杰青，长江学者特聘教授。中国科学院绿色印刷重点实验室主任，北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心主任。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。作为首席科学家或项目负责人主持国家纳米重大研究计划、中科院战略先导研究计划及863重点项目等30余项。已发表SCI 收录论文360余篇，被他人引用16,000余次，并多次被Nature, Science等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著10 部，中文专著2部；获授权中国发明专利80余项，美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利24项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26752

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，由于目前报道的高效率钙钛矿太阳能电池面临稳定性问题及Pb的毒性，解决这两个问题是目前钙钛矿太阳能电池领域重要的研究方向。由于结构的特殊性，准2D钙钛矿材料的稳定性远高于3D钙钛矿材料，因此发展准2D钙钛矿是提升器件稳定性的手段之一。另外结合无Pb钙钛矿的低毒性特点，发展准二维无铅钙钛矿是同时解决上述两个问题的思路，该工作即基此展开。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本工作中遇到的最大挑战是准2D钙钛矿单晶的合成。获得单晶2D钙钛矿是研究其精确的结构及物理性质的主要手段。然而由于2D钙钛矿生长过程中极易产生分相情况，导致很难获得高纯度准2D钙钛矿晶体。另外，由于Sn²⁺在空气中极易氧化，合成单晶过程中很容易被氧化成Sn4+而不能获得2D结构的晶体。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该准2D无铅钙钛矿太阳能电池在光电转换效率及稳定性都得到了很大的提升，为无铅钙钛矿的发展提供了新思路。另外，准2D钙钛矿新结构的发现也可以广泛应用在LED、传感器及光电探测器等领域。该研究为相关的高效率高稳定性无铅钙钛矿太阳能电池的设计与制备提供了新的思路，并对相关领域的研究具有启发和借鉴意义。