研究背景
使用二維 (2D) 鈣鈦礦鈍化三維 (3D) 鈣鈦礦光吸收層是一種有效策略，有助于提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE)。這種2D層具有優(yōu)異的疏水性和熱穩(wěn)定性，更重要的是，它們可以鈍化3D鈣鈦礦表面的缺陷，從而減少界面電荷復(fù)合并改善載流子傳輸。因此，大量研究致力于探索新型配體，以形成更有效的2D鈍化層。然而，關(guān)于2D鈣鈦礦封蓋層形成均勻性的報(bào)道較少，而這一點(diǎn)對(duì)大尺寸鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊 (PSMs) 更為重要。2D鈍化層在形態(tài)和相分布方面的高均勻性極為重要。否則，2D相的低覆蓋率和隨機(jī)分布會(huì)主導(dǎo)界面處不良的能量無(wú)序，從而降低器件性能。對(duì)于使用烷基胺配體的2D鈣鈦礦組裝，較小的間隔有利于形成較高n值的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閿U(kuò)散較為容易。相反，較長(zhǎng)的配體長(zhǎng)度通常更容易產(chǎn)生較小n值的2D結(jié)構(gòu)，其中n表示2D結(jié)構(gòu)中PbX64-層的數(shù)量，X為鹵素。然而，這兩種情況通常會(huì)在3D鈣鈦礦表面產(chǎn)生不同n值結(jié)構(gòu)的混合，導(dǎo)致2D相分布不均。此外，選擇不同鹵素的配體也會(huì)形成基于不同鹵素或n值的2D相。例如，Zhang等人使用新戊基胺（neo-PA+）鹽研究了鹵素選擇對(duì)2D鈣鈦礦相組成的影響，發(fā)現(xiàn)neoPABr和neoPAI生成了純n=1的碘化物2D鈣鈦礦薄膜，而neoPACl則由于Cl-的高電負(fù)性導(dǎo)致形成了混合相（n=1和2）的2D鈣鈦礦封蓋層。這種引入的界面能量無(wú)序會(huì)作為復(fù)合通道，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)降低3D/2D鈣鈦礦雙層的界面電荷傳輸性能。為在PSMs的規(guī)模化過(guò)程中盡量減少效率損失，深入理解2D結(jié)構(gòu)的形成動(dòng)力學(xué)并均勻化2D鈍化層至關(guān)重要。 最近的一些研究表明，均勻n值的2D鈣鈦礦的鈍化效果優(yōu)于確保高效和穩(wěn)定的光伏器件。例如，Jang等人通過(guò)精確控制形成條件，在3D鈣鈦礦上實(shí)現(xiàn)了相純n=1的2D鈣鈦礦（(C4H9NH3)2PbI4或BA2PbI4）的固態(tài)平面生長(zhǎng)，展示了效率高達(dá)24.8%的穩(wěn)定3D/2D PSCs。Siraj等人調(diào)整溶劑以精確制備特定n值的BA基2D鈣鈦礦3D/2D雙層堆疊，使得均勻n=3的2D封蓋層展現(xiàn)出T99超過(guò)2000小時(shí)的優(yōu)異操作穩(wěn)定性。然而，這些技術(shù)是否適用于大尺寸PSMs的規(guī)模化制造，以及是否可以應(yīng)用于其他種類的2D材料仍不確定，特別是長(zhǎng)鏈烷基胺配體的2D材料，因其固有的疏水性和強(qiáng)立體障礙阻礙離子遷移，被認(rèn)為更穩(wěn)定。因此，系統(tǒng)性地調(diào)控2D結(jié)構(gòu)的形成動(dòng)力學(xué)，對(duì)于追求高效和穩(wěn)定的PSMs具有重要意義。為此，武漢理工大學(xué)卜童樂(lè)研究員、麥立強(qiáng)教授和黃福志研究員（共同通訊作者）等人在“Nature Energy”期刊上發(fā)表了題為“Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules”的最新論文。他們系統(tǒng)地研究了典型2D配體與不同鹵素對(duì)2D鈣鈦礦鈍化層均勻性的影響。作者首次發(fā)現(xiàn)雙鹵化合金2D鈣鈦礦中存在鏈長(zhǎng)依賴的相分離問(wèn)題，并揭示了通過(guò)引入三鹵化物組合可以成功消除這種問(wèn)題。此外，作者開發(fā)了一種通用策略，通過(guò)在大尺寸有機(jī)鈍化劑中引入甲脒（FA）陽(yáng)離子，實(shí)現(xiàn)了相純n值的2D鈣鈦礦封蓋層，具有均勻的形貌。在此基礎(chǔ)上，長(zhǎng)鏈烷基胺配體（如十二烷基銨，DA）能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、穩(wěn)定的3D/2D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具備更均勻的形貌、更少的缺陷和更快的界面電荷傳輸。在作者的無(wú)抗溶劑沉積策略基礎(chǔ)上，小尺寸（0.14cm2）、大尺寸（1.04cm2）器件及小型模塊（13.44cm2）的冠軍活性面積效率分別達(dá)到25.61%、24.62%和23.60%，顯示出每十倍放大效率損失小于5%。此外，相應(yīng)的封裝太陽(yáng)能小模塊在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）下的連續(xù)光照操作中表現(xiàn)出超過(guò)2000小時(shí)的T80壽命。最值得注意的是，該策略可以輕松通過(guò)印刷技術(shù)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)20cm × 20cm和30cm × 30cm的大面積PSMs的冠軍效率分別為18.90%和17.59%，對(duì)應(yīng)的孔徑面積分別為310cm2和802cm2。
研究亮點(diǎn)
(1) 實(shí)驗(yàn)首次提出使用二維（2D）鈣鈦礦層鈍化三維（3D）鈣鈦礦光吸收層的策略，以提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。研究顯示，2D鈣鈦礦層不僅具有出色的疏水性和熱穩(wěn)定性，還可以有效鈍化3D鈣鈦礦表面的缺陷，減少界面電荷復(fù)合并提升載流子傳輸。(2) 實(shí)驗(yàn)通過(guò)系統(tǒng)研究不同鹵素配體的作用，發(fā)現(xiàn)雙鹵化合金2D鈣鈦礦層存在相分離問(wèn)題。通過(guò)引入三鹵化物組合，成功消除了該問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了相純n值的2D鈣鈦礦封蓋層，并且該封蓋層在形態(tài)和相分布上更均勻，大大提高了鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面質(zhì)量。 (3) 本研究進(jìn)一步開發(fā)了一種無(wú)抗溶劑沉積策略，在0.14cm2、1.04cm2和13.44cm2的不同尺寸鈣鈦礦器件上分別實(shí)現(xiàn)了25.61%、24.62%和23.60%的冠軍效率，且在放大規(guī)模的過(guò)程中效率損失小于5%。(4) 在此基礎(chǔ)上，研究驗(yàn)證了鈣鈦礦太陽(yáng)能小模塊在封裝后的穩(wěn)定性，連續(xù)光照下最大功率點(diǎn)跟蹤壽命（T80）超過(guò)2000小時(shí)。此外，該策略還適用于印刷技術(shù)的大規(guī)模放大，成功實(shí)現(xiàn)20cm × 20cm和30cm × 30cm的大面積鈣鈦礦模塊，其冠軍效率分別為18.90%和17.59%，顯示出廣泛的應(yīng)用潛力。
圖文解讀
圖1.可擴(kuò)展太陽(yáng)能模塊2D鈣鈦礦相的組成工程。 圖2.均勻2D相結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和形成機(jī)理。
總結(jié)展望
本研究報(bào)告了一種有效且可擴(kuò)展的鈍化策略，該策略通過(guò)抑制成分和維度上的不利相分離，實(shí)現(xiàn)了在3D鈣鈦礦表面上均勻形成相純的2D鈣鈦礦封蓋層。通過(guò)將FABr選擇性地?fù)饺隓ABr用于3D鈣鈦礦后處理，促進(jìn)了2D鈣鈦礦從混合相（n=1和2）轉(zhuǎn)變?yōu)榧兿啵╪=2），并具有較低的形成焓、較小的混合焓和更快的形成動(dòng)力學(xué)，從而有助于形成均勻的形貌、更少的缺陷、更快的界面電荷傳輸以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的3D/2D異質(zhì)結(jié)。因此，分別在小尺寸器件（0.14cm2）、大尺寸器件（1.04cm2）和小型模塊（13.44cm2）上實(shí)現(xiàn)了25.61%（認(rèn)證為24.95%）、24.62%（認(rèn)證為24.04%）和23.60%的冠軍效率，展示了隨著有效面積增加，效率損失相對(duì)較小。此外，太陽(yáng)能小模塊在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）下的T80壽命超過(guò)2000小時(shí)，顯示出卓越的穩(wěn)定性。最為顯著的是，20cm × 20cm和30cm × 30cm的大尺寸PSM也分別在310cm2和802cm2的孔徑面積上展現(xiàn)出18.90%和17.59%的冠軍效率。這個(gè)均勻化的低維結(jié)構(gòu)鈍化策略具有加速PSM商業(yè)化的巨大潛力。 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
