钙钛矿材料优异的光电性质、简单的制备工艺和低廉的成本使其成为当前光电转换材料的研究热点之一，然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题制约了其商业化的进程。开发二维（2D）/三维（3D）钙钛矿材料是一种有效策略，旨在结合二维钙钛矿的高稳定性和三维钙钛矿的优异光电性能。目前，已有研究表明，增强二维钙钛矿中有机配体的共轭性可以有效钝化陷阱并提高电荷提取效率。然而，有机配体的共轭效应对二维/三维钙钛矿太阳能电池性能的影响仍然难以明确。
近日，南京航空航天大学赵晓明教授团队研究了有机配体的共轭效应对二维/三维钙钛矿太阳能电池性能的影响，发现通过增加二维钙钛矿中有机配体的共轭性可以协同增强光电转换效率和稳定性，用于制备高效稳定的二维/三维钙钛矿太阳能电池。作者分别对三种具有增强共轭性的有机配体:苯乙基铵(PEA)、萘乙胺(NEA)和芘基丁烷胺(PyBA)构筑的二维/三维钙钛矿太阳能电池展开研究。研究结果表明，二维钙钛矿中的有机配体能有效提高钙钛矿薄膜的结晶度，钝化表面缺陷。同时，具有更强共轭性的有机阳离子可以更有效地促进光生载流子提取到二维/三维钙钛矿薄膜的表层，显著提升了钙钛矿太阳能电池器件的光伏性能。
结合DFT理论模拟计算，作者发现，随着二维钙钛矿中有机配体的共轭性的增加（从PEA到NEA），可以逐渐打破二维钙钛矿中的I型能带对准，基于高共轭性有机配体PyBA的二维钙钛矿形成Ⅱ型能带排列，抑制了电子和空穴的直接复合，从而加速载流子的提取和传输，进一步验证了实验结果。
最终，作者在0.16平方厘米的钙钛矿单电池中实现了25.3%的光电转换效率，在24.8平方厘米的钙钛矿电池模组中实现了21.0%的光电转换效率。
同时，共轭性有机配体的使用显著增强了二维/三维钙钛矿太阳能电池对水分侵蚀和离子迁移的抵抗力，使电池具有较高的环境稳定性、热稳定性和运行稳定性。其中，基于PyBA的二维/三维钙钛矿太阳能电池在25°C和80%相对湿度(R.H.)的空气中储存2000小时后，仍保持超过90%的光电转换效率。此外，它们在最大功率点(MPP)跟踪下，在40°C连续一个太阳光下运行3000小时后仍保留了超过90%的初始光电转换效率，成为迄今为止最稳定的二维/三维钙钛矿太阳能电池之一。
该工作阐明了二维钙钛矿中有机配体的共轭效应对二维/三维杂化钙钛矿的效率和稳定性的影响，为钙钛矿太阳能电池性能的研究提供了新思路。
论文信息
Engineering Spacer Conjugation for Efficient and Stable 2D/3D Perovskite Solar Cells and Modules
Jinping Zhang, Liangli Chu, Dr. Tianjun Liu, Bingkun Tian, Weicun Chu, Dr. Xiangnan Sun, Prof. Riming Nie, Prof. Wei Zhang, Prof. Zhuhua Zhang, Prof. Xiaoming Zhao, Prof. Wanlin Guo
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202413303
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