通过钝化钙钛矿吸收体和电荷传输层之间的晶界与界面，可以实现溶液加工钙钛矿太阳电池(PSCs)功率转换效率(PCE)的逐步提高。二维(2D)卤化物钙钛矿(HaP)作为提高开路电压(VOC)和填充因子(FF)最有效的钝化层，通常通过旋涂在3DHaP上分散在异丙醇或氯仿中的有机阳离子来生长。该涂层可以从3D钙钛矿层中去除一些多余的碘化铅(PbI2)，然后形成非均匀2D相或宽禁带2DHaP超薄层。
通讯单位：莱斯大学
DOI:10.1126/
亮点解析
3D/PP2DHaP双层叠层的设计原理
如图1a所示，能够选择性地溶解2D或3DHaP而不破坏底层3D或2D层的溶剂综合选择标准，为介电常数和Gutmann给体数。这两个不同的属性是相互关联的，相互作用的强度决定着3D和2DHaP粉末在不同溶剂中的溶解度差异。从图1b中可以看出，RP2D(BA2MAPb2I7)和3DHaP粉末在不同溶剂中的溶解度差异。介电常数30的极性非质子溶剂(图1a,绿点)，如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)，可以完全溶解3D和2DHaP；而非极性溶剂(图1a,蓝点)和极性质子溶剂(图1a,红点)则不能完全溶解2DHaP粉末(图1b)。为制备具有不同2D钙钛矿相并具有所需n值及厚度的3D/2DHaP双层，测试RP2D钙钛矿(BA2MAn–1PbnI3n+1,n=1~4)和其它晶相如DJ[(4AMP)MAPb2I7]和ACI[(GA)MA2Pb2I7]在确定2D钙钛矿选择性溶剂中的溶解度(图1c)，并采用旋涂、滴铸、刀片涂层或槽模涂层制造出3D/2DHaP双层(图1d)。
图1.溶液加工制备出3D/PP2DHaP双层叠层的设计原理。
3D/PP2DHaP双层的结构与界面表征
如图2a所示，为具有不同2DRPBA2MAn-1PbnI3n+1钙钛矿(n=1-4)的3D对照和3D/2DHaP双层的XRD表征结果，其低角度Bragg峰与相应的拟合结果相匹配，表明2DHaP层具有较高的相纯度。通过吸光度(图2b)和PL光谱(图2c)可进一步测试出相纯度。光学吸光分析表明对照膜在1.6eV处存在3DHaP带边缘，伴随着一个从2.4eV(n=1)到1.9eV(n=4)的激子峰，对应于3D/2D双层中的不同n值。为评估3D/2DHaP双层的空间均匀性，采用共焦显微镜监测以3D峰(1.6eV)和2D峰(n=2,2.15eV)为中心的PL光谱(图2d)。可以发现，2D和底部3DHaP层在20×20μm的大面积上均匀发光，证实3D/2DHaP双层叠层的均匀性。
图2.3D和n=1-4的3D/PP-2DHaP双层的结构和光谱学表征。
图3.3D/PP-2DHaP的界面表征。
太阳电池的光伏性能与稳定性
如图4a所示，根据第一原理计算预测结合光电发射产额光谱(PES)和吸收测试验证，构建出2DHaP,RPBA2MAn–1PbnI3n+1(n=1-4)和3D钙钛矿()Pb()3的能带排列。随后，采用FTO/SnO2/3D/PP-2D(n=3)/spiro-OMeTAD/Au结构制备出n-i-p型钙钛矿太阳电池，并通过在MeCN中旋涂不同浓度的2D钙钛矿溶液来控制PP-2D的厚度。图4b为三种选定厚度2DHaP层的电流-电压(I-V)特性，并以3DHaP作为对照。对于n-i-p电池而言，随着2DHaP厚度从0增加到50nm，VOC从1.09增加到1.20V。VOC的增加伴随着FF从0.80略微增加到0.84，JSC从23.54略微增加到24.34mA/cm2，使得50nm2DHaP厚度的峰值PCE为24.5%。此外，采用ISOS-L-1协议测试3D/PP-2D双层封装器件的长期运行稳定性，在持续照射2000小时后，3D/PP-2DHaP双层器件的性能显示出可忽略的衰减(T992000h)，而3D对照器件则失去25%的初始PCE。
图4.3D/PP-2D(BA2MA2Pb3I10)HaP双层太阳电池的光伏性能和长期稳定性。
SirajSidhik,YafeiWang,MichaelDeSiena,RezaAsadpour,,TanguyTerlier,KevinHo,WenbinLi,,XintingShuai,AyushAgrawal,BoubacarTraore,MatthewJones,RajivGiridharagopal,,JosephStrzalka,,ClaudineKatan,MuhammadAshrafulAlam,JackyEven,,/2:10.1126/
