【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈣鈦礦太陽能電池是目前最具前景的第三代光伏技術(shù)，其效率已經(jīng)超過26.7%，逐漸逼近理論極限，而效率快速發(fā)展離不開表界面的缺陷鈍化，特別是低維(LD)鈣鈦礦鈍化。然而，在2D 鈣鈦礦鈍化過程中，由于陽離子在熱的作用下易遷移滲透到3D鈣鈦礦內(nèi)部甚至轉(zhuǎn)化為1D相，導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，且使用大體積陽離子形成LD鈣鈦礦鈍化層的背后機制以及不同維度鈣鈦礦之間的轉(zhuǎn)化過程仍不明確。
 

　　中國科學(xué)院福建物構(gòu)所高鵬課題組曾使用同一手性陽離子，在不同的條件下在3D鈣鈦礦表面上形成2D或者1D的鈍化層(Appl. Mater. Today 2022,28,101550)。近日，該團隊在前期研究的基礎(chǔ)上(Adv. Energy Mater.2020,10,2000197)，進一步對N-甲基-1-萘甲銨(M-NMA+)陽離子進行了系統(tǒng)的研究，通過研究M-NMA+ 的LD 鈣鈦礦的形成動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)M-NMA+ 的分子間π–π 堆疊及其與產(chǎn)物結(jié)構(gòu)內(nèi)無機PbI6八面體的氫鍵連接(N-H···I)控制LD 鈣鈦礦的形成。在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)前驅(qū)體溶液中，可以同時獲得1D和2D兩種產(chǎn)物。尤其是M-NMA+和DMF溶劑之間的強相互作用，與1D 相相比，2D鈣鈦礦的形成高度依賴異質(zhì)成核，這是在Ruddlesden–Popper 2D 鈣鈦礦中首次報道。該工作對由同一陽離子形成的不同維度結(jié)構(gòu)進行全面比較，深入研究低維鈣鈦礦相的形成、結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，能夠更直接地加深對低維鈣鈦礦及其與三維鈣鈦礦構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解。
 

　　圖1：a)1D M-NMAPbI3、b)2D (M-NMA)2PbI4和c)M-NMA(DMF)PbI3的單晶側(cè)面圖。插圖：氫鍵的距離值。d)不同基底上使用2:1(M-NMAI:PbI2)DMF溶液形成的薄膜照片。e)結(jié)晶途徑示意圖。

 

　　然而，使用M-NMAI的異丙醇溶液對3D鈣鈦礦薄膜進行后處理，僅在表面形成熱穩(wěn)定的1D相。1D具有比2D更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，M-NMA+分子間具有更有利的π–π相互作用以及與無機PbI6八面體更強的氫鍵連接，同時具有更加牢固的鏈狀PbI6八面體無機骨架。由此產(chǎn)生的1D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，不但使得鈣鈦礦太陽能電池(PSC)獲得創(chuàng)紀(jì)錄的25.51% 的效率(1D鈣鈦礦鈍化)，而且還顯提高了未封裝器件在85 °C 下的熱穩(wěn)定性。
 

　　圖2：M-NMA+ 在DMF的前驅(qū)體溶液(與PbI2)以及在3D鈣鈦礦薄膜上的低維產(chǎn)物

 

　　此研究加深了對低維鈣鈦礦形成動力學(xué)的理解，揭示了有機-無機雜化鈣鈦礦的非典型結(jié)晶動力學(xué)，并為制備穩(wěn)定、高效的PSC 提供了一種有效的策略。相關(guān)研究結(jié)果以“Formation Dynamics of Thermally Stable 1D/3D Perovskite Interfaces for High-Performance Photovoltaics”為題發(fā)表于《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2025,2413841)。中國科學(xué)院福建物構(gòu)所梁祿生工程師為本文第一作者，中國科學(xué)院福建物構(gòu)所高鵬研究員為本文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等項目支持。