多氟有机双铵阳离子调控碘化铅排列用于高效两步法钙钛矿太阳能电池

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

金属卤化物钙钛矿是太阳能电池中较理想的光吸收材料，目前钙钛矿太阳能电池已经实现了超过26%的光电转换效率。两步成膜法制备钙钛矿薄膜是获得高效率钙钛矿太阳能电池的普适方法。在两步法制备薄膜过程中，主要克服的困难在于有机铵盐和碘化铅（PbI₂）薄膜不完全反应，导致形成的钙钛矿薄膜中存在过多PbI₂，从而影响器件的效率和稳定性。有机阳离子或其构成的低维钙钛矿作为添加剂可降低PbI₂薄膜的致密性，使得铵盐和PbI₂反应更充分，进而减少钙钛矿薄膜中过量PbI₂引起的电子缺陷，提升钙钛矿薄膜质量。

近日，浙大宁波理工学院的刘洋博士、刘秋菊博士和王海桥教授、重庆师范大学张岩教授、厦门大学白华教授合作，设计合成了一种多氟取代双铵阳离子（八氟联苯二铵，OFPP），OFPP在PbI₂薄膜中不会形成任何低维度钙钛矿，而是通过与I^-离子结合改变了PbI₂薄膜的晶体排列，降低PbI₂薄膜的致密性，从而使得铵盐和PbI₂充分反应，改善钙钛矿薄膜质量。最终，基于OFPP的小面积钙钛矿太阳能电池实现了24.76%的光电转换效率，大面积（100.00 cm²）组件获得了21.04%的高效率。

图1. 多氟有机双铵阳离子结构及调控碘化铅晶体排列示意图。

图2. 小面积钙钛矿太阳能电池及大面积组件效率。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.，文章的第一作者及通讯作者是浙大宁波理工学院刘洋博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Polyfluorinated Organic Diammonium Induced Lead Iodide Arrangement for Efficient Two-Step-Processed Perovskite Solar Cells

Yang Liu*, Qiuju Liu*, Yusong Lu, Jianfei Fu, Jifeng Wu, Qingyong Tian, Bin Fan, Yan Zhang*, Hua Bai*, Hai-Qiao Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202402568

刘洋博士简介

刘洋，2019年于吉林大学化学学院获得理学博士学位（导师：田文晶教授）；2019-2022年在中科院大连化学物理研究所从事博士后研究（合作导师：郭鑫研究员/李灿院士）； 2022年7月加入浙大宁波理工学院杨德仁院士团队。入选宁波市领军拔尖人才（第三层次）。主要研究领域为（1）二维钙钛矿材料稳定性机制；（2）高效率钙钛矿太阳能电池。至今已发表研究论文40余篇，其中以第一作者/通讯作者身份在Joule，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Energy和Chem. Eng. J.等期刊发表论文15篇。

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，我们的研究兴趣是2D钙钛矿材料及高性能钙钛矿太阳能电池领域。目前，大家普遍认为有机双铵阳离子可以形成2D钙钛矿，并将其用于钙钛矿薄膜体相和表面缺陷钝化。但是较差电荷传输特性的2D钙钛矿并不是钙钛矿薄膜缺陷钝化的理想选择。我们的目标很简单，就是通过结构调控合成不与碘化铅反应生成低维钙钛矿的有机双铵阳离子，将其用于钙钛矿薄膜的体相缺陷钝化，进而提升钙钛矿太阳能电池性能，为后续有机双铵阳离子的结构设计和高效率钙钛矿太阳能电池制备提供指导和帮助。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何设计合适的分子结构使得有机双铵阳离子不形成2D钙钛矿。在这个过程中，博士后期间的工作经验积累起了至关重要的作用。此外，在大面积钙钛矿组件方面存在制备技术不足的挑战，刘秋菊博士和厦门大学白华教授给予了大力支持。

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：该研究中获得的多氟有机双铵阳离子可应用于太阳能电池、电致发光器件领域，对大面积钙钛矿电池组件的发展产生推动作用。