【研究背景】
二維Ruddlesden-Popper層狀金屬鹵化物鈣鈦礦，院士具有理想的純相池材光電性能和良好的環境穩定性，有望成為實現環境穩定且高性能的維層鈣鈦礦電池的候選材料。目前，狀鈣基于液相法制備的鈦礦太陽二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦薄膜均由多相混合量子阱結構組成，即目標量子阱結構與實際獲得的料牛相結構有很大不同。盡管鈣鈦礦前驅體溶液是院士嚴格按照化學計量比的方式配置，也難以在沉積的純相池材過程中直接形成目標設計的純相量子阱薄膜。薄膜中夾雜的維層其他多相鈣鈦礦成分對鈣鈦礦器件的性能和穩定性都有極大的負面影響。同時，狀鈣二維本征結構的鈦礦太陽光物理性質被其他混雜相尤其是三維相所掩蓋。研究人員一直致力于制備純相二維鈣鈦礦薄膜，料牛但是院士到目前為止還無法實現。
【研究進展】
近日，純相池材西北工業大學的維層黃維院士團隊（通訊作者：西北工業大學的黃維院士、南京工業大學陳永華教授和澳門大學邢貴川教授）首次報道了一系列不同量子阱寬度的純相二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦薄膜及其高效的鈣鈦礦太陽能電池應用，研究成果發表在世界頂級期刊Nature Energy上，文章題目為“Two-dimensional Ruddlesden–Popper layered perovskite solar cells based on phase-pure thin films”。合作團隊創新性地使用一種離子液體有機胺鹽(butylammonium acetate，BAAc,乙酸丁胺)，實現前驅體溶液離子配位和分子間相互作用有效調控，獲得擇優生長的微米級二維層狀鈣鈦礦晶體，實現了有效的載流子分離和電荷傳輸，最終得到了優異的太陽能電池光電轉換效率。同時，純相量子阱結構使得二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦太陽能電池的穩定性顯著提高。該方法成功地為二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦光電器件的性能和穩定性進一步提升提供了新思路，為探索二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦本征光物理性質提供了可能。
【圖文簡介】
圖1 基于多重量子阱(MQWs)和相純QWs的層狀鈣鈦礦薄膜的光學特性
(a-h) 使用傳統的碘化丁胺（BAI）和乙酸丁胺（BAAc）離子液體作為間隔陽離子源實現不同量子阱寬度的二維層狀鈣鈦礦薄膜的光學性能表征（瞬態吸收光譜a，b；穩態吸收光譜c，d；穩態熒光光譜e，f）和結構示意圖（g，h）
圖2基于MQWs和相純QWs的層狀鈣鈦礦薄膜結構特征
(a,b) 不同平均阱寬<n>的MQW薄膜(a)和相純QW薄膜(b)的x射線衍射譜；
(c,d) MQW薄膜和相純QW薄膜GIWAXS圖像；
(e,f) MQW薄膜和相純QW薄膜的掃描電鏡圖像。
圖3 探討相純QWs的形成機制
(a) 動態光散射顯示了用BAI和BAAc制備的前驅體溶液中的粒徑分布；
(b) BAAc和溶解了PbI2的BAAc的衰減全反射傅立葉變換紅外光譜；
(c) 用BAI和BAAc制備溶液，在Pb L3邊緣采集x射線吸收光譜；
(d, e) 用BAI (d)制備的前驅體溶液和用BAAc (e)制備的前驅體溶液在Pb L3邊緣處r空間的擴展x射線吸收精細結構光譜；
(f) 1H NMR譜。
圖4 基于MQWs和純相QWs的PSCs光伏特性及穩定性研究
(a) 橫斷面掃描透射電子顯微鏡圖像；
(b) 最佳PSCs的J-V曲線；
(c) 穩態功率輸出和電流輸出；
(d) IPEC測試；
(e-g) 穩定性測試。
【小結】
該報道研究表明，通過引入熔鹽間隔層可以克服傳統的純相QW薄膜制備的限制。高質量的純相QW薄膜具有微觀取向排列的晶體結構，獲得了高效穩定的PSC。與傳統的全無機QWs真空沉積相比，這種純相QWs具有溶液加工，低溫制造和原子層精度等優勢。其良好的穩定性、獨特的結構和光電性能，該研究不僅有助于發展太陽能電池還對其他鈣鈦礦基光電器件，如探測器、發光二極管和激光器具有重要的研究價值。
文獻鏈接：Two-dimensional Ruddlesden–Popper layeredperovskite solar cells based on phase-pure thin films, 2020, Nature energy, doi: 10.1038/s41560-020-00721-5.
團隊介紹
黃維，中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太材料科學院院士、東盟工程與技術科學院外籍院士、巴基斯坦科學院外籍院士。教授、博導，有機電子、塑料電子、印刷電子、生物電子及柔性電子學家。黃維院士是“長江學者”特聘教授，國家“杰出青年科學基金”獲得者，國家高層次人才計劃入選者，“973”項目首席科學家。亞太地區工程組織聯合會（FEIAP）主席，俄羅斯科學院名譽博士、英國謝菲爾德大學名譽博士，英國皇家化學會會士、美國光學學會會士、國際光學工程學會會士。曾兩次獲得國家自然科學獎二等獎、三次獲得高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）自然科學獎一等獎，以及何梁何利基金“科學與技術進步獎”等，成果入圍中國“高等學校十大科技進展”。黃維院士在柔性電子學、特別是有機電子學等領域取得了大量系統性、創新性的研究成果，以第一或通訊作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics以及Nature Communications等國際主流SCI學術期刊發表研究論文760余篇，h因子為131，國際同行引用逾80000次，是材料科學與化學領域全球高被引學者。獲授權美國、新加坡和中國等國發明專利360余項，出版了《有機電子學》《生物光電子學》《有機薄膜晶體管材料器件和應用》《有機光電子材料在生物醫學中的應用》《OLED顯示技術》等學術專著。
陳永華，南京工業大學先進材料研究院，教授、博士生導師，先進能源材料所所長。入選國家海外高層次人才計劃，獲得江蘇省特聘教授和江蘇省杰出青年基金項目。長期圍繞有機及鈣鈦礦光電材料與器件的關鍵科學問題，開展高效穩定光電器件的研究工作。近年來，在有機及鈣鈦礦光電材料與器件領域發表論文100余篇，包括Nature Photonics、 Nature Energy、 Nature Communications、Chem、Chemical Society Review、Advanced Materials、Light: Science & Applications、 Nano Letters、Angewandte Chemie International Edition等，多篇高被引論文。申請/授權中國專利11項、美國專利1項。主持多項國家和省部級基金項目。
邢貴川，澳門大學，教授。主要從事低維納米材料與新型光電功能材料的非線性光學與超快光譜學研究。旨在探索材料本身及其在器件中的光電子應用工作機理、并反饋指導材料的設計與器件的結構優化，從而實現高性能光電子器件。近10年來，始終圍繞“金屬鹵化物鈣鈦礦光譜物理及器件研究”這一主題，以探究金屬鹵化物鈣鈦礦光電機制為核心，以提高器件性能及開拓其新的光電子應用為目標展開工作。針對鈣鈦礦型材料與器件領域存在的一些關鍵科學問題，運用飛秒超快光譜手段探測分析其背后基本的光物理及光化學誘因，在理解這些誘因過程的基礎上，對鈣鈦礦材料的維度、結晶過程、微納結構形貌、薄膜形貌及器件能帶工程等進行調控以克服這些問題。共發表SCI論文140余篇，包括一作或通訊的Science，Nature Materials，Nature Energy，Nature Communications，Advanced Materials，Nano Energy，ACS Nano等，論文被引13900余次，h因子41。歡迎相關方向的優秀學生申請課題組博士以及應聘為博士后，優秀博士生可獲得四年獎學金100萬澳門幣，優秀博士后可獲得兩年薪金100萬澳門幣，常年招聘。
工作匯總
高質量的鈣鈦礦薄膜制備方法需要在惰性氣氛下以N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）為前體溶劑并以氯苯（CB）為反溶劑的復雜反溶劑方法。除了溶劑處理問題和毒理學問題外，具有繁瑣過程的反溶劑工程還需要更高的操作技術和環境，這嚴重阻礙了PSC的商業化進程。針對這個問題，團隊開發出了新型的離子液體溶劑，其可以通過一種簡單的一步法在沒有任何添加劑的潮濕空氣中，可使轉換效率（PCE）超過22％。此外，使用離子液體溶劑的二維Ruddlesden-Popper PSC的認證PCE接近18％，且具有出色的穩定性。基于離子液體溶劑的Dion-Jacobson相和錫基PSC也顯示出優異的性能，表明離子液體溶劑具有通用特性。近期，團隊通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入離子液體spacer可以制備出純相的二維鈣鈦礦，這項工作為研究本征光物理性質提供了實驗基礎。對于鈣鈦礦光電技術領域的廣泛適應性，特別是對于需要簡單快速的工藝的工業生產，離子液體有望成為一種有前途的功能性溶劑。
相關文獻
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