重磅Nature: 二维“类钙钛矿”材料稳定钙钛矿太阳电池

一、 【导读】

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）在性能上取得了显著进展，单结小面积（<1 cm²）器件的光电转换效率（PCEs）已超过26%。这一提升主要归因于界面钝化技术的改进，尤其是应用二维（2D）钙钛矿表面钝化层的策略。然而，这些钝化层里的活性阳离子在热驱动下会破坏钙钛矿结构中脆弱的角共享八面体连接，并在2D和三维（3D）钙钛矿层之间迁移，严重影响了器件的效率和稳定性。为了解决这一问题，研究人员近年来开发了“非2D钙钛矿配体”策略，有效限制了阳离子的界面迁移行为。然而，该类配体受到立体效应的限制，大大降低了与钙钛矿表面的相互作用，尤其削弱了对大面积钙钛矿薄膜的钝化效果。因此，开发新型钝化材料来同时消除界面缺陷和抑制阳离子迁移变得至关重要。

二、【成果掠影】

近日，美国西北大学的Kanatzidis、Sargent和Marks团队在钙钛矿光伏器件领域取得了重要突破。他们针对钙钛矿器件中离子迁移的挑战，提出了一种创新的解决方案：利用稳定的有机-无机杂化晶格网络，即含有角、边、面共享的“类钙钛矿”材料，来构建界面钝化层，有效阻止界面离子迁移。研究团队合成了多种维度的类钙钛矿材料，发现这些材料相较于传统的2D钙钛矿，能更有效地抑制阳离子的迁移。特别是，他们开发的2D类钙钛矿材料(A6BfP)₈Pb₇I₂₂成功地钝化了钙钛矿表面缺陷，并制备出均匀的大面积钙钛矿薄膜。基于这种“类钙钛矿/钙钛矿异质结”的大面积1 cm²钙钛矿太阳电池达到了24.6%的认证准稳态光电转换效率，并展示出在85℃下空气环境中1250小时的稳定运行。

三、【核心创新点】

1. 首次成功在钙钛矿表面构建出2D类钙钛矿结构；
2. 成功抑制了钙钛矿基的异质结内部的阳离子迁移；
3. 实现了1 cm²钙钛矿光伏器件的优异效率和稳定性。

四、【数据概览】

图1、类钙钛矿材料的设计与合成©2024 Springer Nature

N-氨基己基-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐(A6PI)、N-氨基己基-苯[f]-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐(A6BfPI)、N-氨基己基-苯[e]-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐(A6BePI)和N-氨基己基-萘二甲酰亚胺盐酸盐(A6NI)的分子结构。b.(A6P)PbI₃、(A6BfP)PbI₃、(A6BeP)PbI₃和(A6N)PbI₃单晶的侧视图。c.(A6BfP)₈Sn₇I₂₂的晶体结构。碳、氮、氧、铅、锡和碘分别用黑色、蓝色、红色、灰色、紫色和紫色表示。为视觉清晰，省略了氢原子。

图2、类钙钛矿材料/钙钛矿异质结构的构建©2024 Springer Nature

(A6P)PbI₃、(A6BfP)₈Pb₇I₂₂、A6BePI和A6NI表面钝化的钙钛矿样品的XRD图谱（上），以及(A6P)PbI₃、(A6BfP)₈Pb₇I₂₂、(A6BeP)PbI₃和(A6N)PbI₃的理论XRD图谱（下）。b.不同入射角下的一维（1D）(A6N)PbI₃/3D钙钛矿和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/3D钙钛矿异质结薄膜的GIWAXS图谱。c.1D (A6N)PbI₃和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂结构在3D钙钛矿薄膜上的结晶取向示意图。

图3、2D类钙钛矿/3D钙钛矿异质结的光电特性©2024 Springer Nature

高分辨率Pb 4fXPS峰和b.由非2D配体、2D钙钛矿(PEA)₂PbI₄和2D类钙钛矿材料(A6BfP)₈Pb₇I₂₂钝化的3D钙钛矿薄膜的PL强度统计，σ为标准偏差。c.不同钝化策略下PSCs的效率统计。d.在85% RH和85°C下(PEA)₂PbI₄和(A6BfP)₈Pb₇I₂₂薄膜的时间依赖XRD图谱。e.在85% RH和85°C下2D (PEA)₂PbI₄和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂钝化的3D钙钛矿薄膜的时间依赖XRD图谱。f.在85% RH和85°C下老化3小时前后，2D (PEA)₂PbI₄/3D钙钛矿和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/3D钙钛矿的飞行时间二次离子质谱分析。

图4、钙钛矿太阳电池的光伏性能和稳定性©2024 Springer Nature

PSCs的截面SEM图像。b.最高效小面积器件的J-V特性。c.基于2D类钙钛矿材料/3D钙钛矿的器件的EQE曲线和积分电流密度。d.最高效大面积（>1 cm²）器件的J-V曲线。e.Newport认证的基于(A6BfP)₈Pb₇I₂₂钝化的1 cm²器件的渐进式准稳态J-V曲线。f.孔径面积为28 cm²的钙钛矿光伏组件的J-V曲线和稳态输出性能。g.在85% RH和85°C下未封装小面积器件稳定性。h.在暴露空气，100 mW cm^-2的连续光照，和85°C持续加热条件下的1 cm²器件的最大功率点追踪。

五、【成果启示】

类钙钛矿材料由于其结构的稳定性，能够有效阻止界面钝化层的阳离子迁移。合理设计的阳离子配体不仅成功钝化了钙钛矿表面缺陷，还减少了界面处的载流子复合。通过调节类钙钛矿材料在钙钛矿薄膜表面的维度和取向，实现了载流子在异质结构内部的高效传输。因此，研究团队不仅在高温条件下显著提高了钙钛矿太阳电池的稳定性，还在大面积器件上实现了高效率。这表明，类钙钛矿材料在表面钝化方面具有巨大的潜力，能够显著推动钙钛矿光电器件的大规模应用。

六、【作者介绍】

刘成：美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis和Edward H. Sargent课题组博士后研究员。主要研究方向为钙钛矿光伏器件及辐射探测器。目前以第一作者（含共同）身份在Science(2篇)、Nature、Nat. Energy、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表论文20余篇。在Nature和Science等期刊上合作发表论文50余篇，拥有国际和国内专利各一项。担任Adv. Mater.、Angew.Chem. Int. Edit.、Mater. Today Electron.等期刊审稿人。

杨熠：美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis和Edward H. Sargent课题组博士后研究员。长期致力于有机-无机杂化半导体材料的设计、合成、解析，以及其在光电器件应用等方面的研究。目前已第一作者/共同一作在Nature、Science、Nat.Energy、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Sci. Adv.等国际著名期刊上发表论文18篇。在Science和Nature等期刊上合作发表论文46篇，引用次数超过2100次，H指数26，拥有国际专利一项，国内专利两项。担任Nat.Energy、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊审稿人。

陈昊：西北大学Sargent课题组博士后研究员。研究方向为单结/多结钙钛矿基光伏器件，于2023年取得了钙钛矿光伏器件准稳态认证效率世界纪录26.15%，实现了反式结构钙钛矿器件准稳态认证效率超过正式结构。同时，将1 cm²器件认证效率世界记录提升至25.2%。先后以第一作者（含共同）身份在Science(2篇)、Nature(3篇)、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Energy、Advanced Materials(3篇)等著名期刊上发表了多篇论文。担任Nat.Rev.Mater.、ACS Photonics、Mater. Today Electron.等期刊审稿人。

郑丁：电子滚球体育 大学光电科学与工程学院教授，博士生导师，显示科学与技术四川省重点实验室副主任，国家级青年人才项目入选者。2020-2023年在美国西北大学Tobin J. Marks、Antonio Facchetti以及Mercouri Kanatzidis课题组先后担任博士后研究员以及研究助理教授。2023年在美国第一太阳能公司担任高级研发工程师。长期从事基于半导体器件的人机交互柔性可穿戴技术研究，探索能源供给、传感、存储和计算的系统集成。在超柔性光伏、仿生可拉伸传感和高密度运算存储电路等领域取得多项创新成果，致力于推动柔性电子、脑机接口和人工智能等前沿领域的发展。以一作或通讯作者身份在Nature、Nat. Mater.、Adv. Mater.等著名期刊上发表论文13篇，SCI引用1300余次，3篇论文入选高被引论文，授权发明专利13项。

原文详情：Cheng Liu, Yi Yang, Hao Chen, et al. Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells. Nature (2024).

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本文由大橙子供稿