二維Ruddlesden–Popper（RP）鈣鈦礦具有優(yōu)異的環(huán)境和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相對(duì)較差的能量轉(zhuǎn)換效率限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的龍官奎研究員聯(lián)合南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院的陳永勝教授和劉永勝研究員設(shè)計(jì)合成了一種新型間隔陽(yáng)離子β-氟苯基乙胺（β-FPEA），進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了高效且穩(wěn)定的反式準(zhǔn)二維（n = 5）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)β-FPEA的加入增強(qiáng)了陽(yáng)離子和[PbI6]4？八面體之間的相互作用，促進(jìn)了鈣鈦礦的激子解離，優(yōu)化了能級(jí)排列，穩(wěn)定了二維鈣鈦礦膜的混合相和α-FAPbI3相，延長(zhǎng)了載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，增加了載流子壽命并降低了陷阱密度。研究人員依托北京同步輻射裝置1W1A-漫散射實(shí)驗(yàn)站的廣角掠入射X射線散射（GIWAXS）測(cè)試對(duì)β-FPEA基鈣鈦礦薄膜的取向和結(jié)晶性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)基于β-FPEA的鈣鈦礦薄膜具有垂直于基底生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)取向和更強(qiáng)的結(jié)晶性（如圖所示）。通過(guò)這種策略，基于β-FPEA陽(yáng)離子的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在PEDOT:PSS基底上實(shí)現(xiàn)了16.77%的光電轉(zhuǎn)換效率（相同條件下，基于苯乙胺PEA的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池只有12.81%的光電轉(zhuǎn)換效率），并在PTAA基底上實(shí)現(xiàn)了19.11%的冠軍效率。此外，基于β- FPEA陽(yáng)離子的未封裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件在熱穩(wěn)定性和濕穩(wěn)定性方面都有顯著性的改善。這些發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)高性能準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的思路和策略。
相關(guān)工作于2月6日以“Highly Efficient and Stable FA-Based Quasi-2D Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells by the Incorporation of β-Fluorophenylethanamine Cations”為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)材料綜合期刊《Advanced Materials》上（DOI:10.1002/adma.202210836）。
圖 基于苯乙胺（PEA)和β-氟苯基乙胺（β- FPEA）的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜的X射線衍射譜圖，二維-廣角掠入射X射線散射譜圖，導(dǎo)電原子力顯微鏡和透射電鏡譜圖。
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