武汉理工大学，Nature Energy！
学术
2024-11-17 09:02
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研究背景
使用二维 (2D) 钙钛矿钝化三维 (3D) 钙钛矿光吸收层是一种有效策略，有助于提高钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的稳定性和光电转换效率 (PCE)。这种2D层具有优异的疏水性和热稳定性，更重要的是，它们可以钝化3D钙钛矿表面的缺陷，从而减少界面电荷复合并改善载流子传输。因此，大量研究致力于探索新型配体，以形成更有效的2D钝化层。然而，关于2D钙钛矿封盖层形成均匀性的报道较少，而这一点对大尺寸钙钛矿太阳能模块 (PSMs) 更为重要。2D钝化层在形态和相分布方面的高均匀性极为重要。否则，2D相的低覆盖率和随机分布会主导界面处不良的能量无序，从而降低器件性能。对于使用烷基胺配体的2D钙钛矿组装，较小的间隔有利于形成较高n值的结构，因为扩散较为容易。相反，较长的配体长度通常更容易产生较小n值的2D结构，其中n表示2D结构中PbX64-层的数量，X为卤素。然而，这两种情况通常会在3D钙钛矿表面产生不同n值结构的混合，导致2D相分布不均。此外，选择不同卤素的配体也会形成基于不同卤素或n值的2D相。例如，Zhang等人使用新戊基胺（neo-PA+）盐研究了卤素选择对2D钙钛矿相组成的影响，发现neoPABr和neoPAI生成了纯n=1的碘化物2D钙钛矿薄膜，而neoPACl则由于Cl-的高电负性导致形成了混合相（n=1和2）的2D钙钛矿封盖层。这种引入的界面能量无序会作为复合通道，毫无疑问会降低3D/2D钙钛矿双层的界面电荷传输性能。为在PSMs的规模化过程中尽量减少效率损失，深入理解2D结构的形成动力学并均匀化2D钝化层至关重要。 最近的一些研究表明，均匀n值的2D钙钛矿的钝化效果优于确保高效和稳定的光伏器件。例如，Jang等人通过精确控制形成条件，在3D钙钛矿上实现了相纯n=1的2D钙钛矿（(C4H9NH3)2PbI4或BA2PbI4）的固态平面生长，展示了效率高达24.8%的稳定3D/2D PSCs。Siraj等人调整溶剂以精确制备特定n值的BA基2D钙钛矿3D/2D双层堆叠，使得均匀n=3的2D封盖层展现出T99超过2000小时的优异操作稳定性。然而，这些技术是否适用于大尺寸PSMs的规模化制造，以及是否可以应用于其他种类的2D材料仍不确定，特别是长链烷基胺配体的2D材料，因其固有的疏水性和强立体障碍阻碍离子迁移，被认为更稳定。因此，系统性地调控2D结构的形成动力学，对于追求高效和稳定的PSMs具有重要意义。为此，武汉理工大学卜童乐研究员、麦立强教授和黄福志研究员（共同通讯作者）等人在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules”的最新论文。他们系统地研究了典型2D配体与不同卤素对2D钙钛矿钝化层均匀性的影响。作者首次发现双卤化合金2D钙钛矿中存在链长依赖的相分离问题，并揭示了通过引入三卤化物组合可以成功消除这种问题。此外，作者开发了一种通用策略，通过在大尺寸有机钝化剂中引入甲脒（FA）阳离子，实现了相纯n值的2D钙钛矿封盖层，具有均匀的形貌。在此基础上，长链烷基胺配体（如十二烷基铵，DA）能够实现高质量、稳定的3D/2D钙钛矿异质结构，具备更均匀的形貌、更少的缺陷和更快的界面电荷传输。在作者的无抗溶剂沉积策略基础上，小尺寸（0.14cm²）、大尺寸（1.04cm²）器件及小型模块（13.44cm²）的冠军活性面积效率分别达到25.61%、24.62%和23.60%，显示出每十倍放大效率损失小于5%。此外，相应的封装太阳能小模块在最大功率点跟踪（MPPT）下的连续光照操作中表现出超过2000小时的T80寿命。最值得注意的是，该策略可以轻松通过印刷技术进行放大，实现20cm × 20cm和30cm × 30cm的大面积PSMs的冠军效率分别为18.90%和17.59%，对应的孔径面积分别为310cm²和802cm²。 研究亮点
(1) 实验首次提出使用二维（2D）钙钛矿层钝化三维（3D）钙钛矿光吸收层的策略，以提高钙钛矿太阳能电池（PSCs）的稳定性和光电转换效率（PCE）。研究显示，2D钙钛矿层不仅具有出色的疏水性和热稳定性，还可以有效钝化3D钙钛矿表面的缺陷，减少界面电荷复合并提升载流子传输。(2) 实验通过系统研究不同卤素配体的作用，发现双卤化合金2D钙钛矿层存在相分离问题。通过引入三卤化物组合，成功消除了该问题，从而实现了相纯n值的2D钙钛矿封盖层，并且该封盖层在形态和相分布上更均匀，大大提高了钙钛矿异质结构的界面质量。 (3) 本研究进一步开发了一种无抗溶剂沉积策略，在0.14cm²、1.04cm²和13.44cm²的不同尺寸钙钛矿器件上分别实现了25.61%、24.62%和23.60%的冠军效率，且在放大规模的过程中效率损失小于5%。(4) 在此基础上，研究验证了钙钛矿太阳能小模块在封装后的稳定性，连续光照下最大功率点跟踪寿命（T80）超过2000小时。此外，该策略还适用于印刷技术的大规模放大，成功实现20cm × 20cm和30cm × 30cm的大面积钙钛矿模块，其冠军效率分别为18.90%和17.59%，显示出广泛的应用潜力。图文解读
总结展望
本研究报告了一种有效且可扩展的钝化策略，该策略通过抑制成分和维度上的不利相分离，实现了在3D钙钛矿表面上均匀形成相纯的2D钙钛矿封盖层。通过将FABr选择性地掺入DABr用于3D钙钛矿后处理，促进了2D钙钛矿从混合相（n=1和2）转变为纯相（n=2），并具有较低的形成焓、较小的混合焓和更快的形成动力学，从而有助于形成均匀的形貌、更少的缺陷、更快的界面电荷传输以及结构稳定的3D/2D异质结。因此，分别在小尺寸器件（0.14cm²）、大尺寸器件（1.04cm²）和小型模块（13.44cm²）上实现了25.61%（认证为24.95%）、24.62%（认证为24.04%）和23.60%的冠军效率，展示了随着有效面积增加，效率损失相对较小。此外，太阳能小模块在最大功率点跟踪（MPPT）下的T80寿命超过2000小时，显示出卓越的稳定性。最为显著的是，20cm × 20cm和30cm × 30cm的大尺寸PSM也分别在310cm²和802cm²的孔径面积上展现出18.90%和17.59%的冠军效率。这个均匀化的低维结构钝化策略具有加速PSM商业化的巨大潜力。 Li, J., Jin, C., Jiang, R. et al. Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01667-8 纳米人学术QQ交流群
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