物质学院陈刚课题组研制出高效率和稳定性的二维钙钛矿太阳能电池

ON2020-11-03CATEGORY科研进展

近日，我校物质学院陈刚课题组在钙钛矿太阳能电池的研制与机理探究方面再次取得重要成果。他们研发了一种新型甲脒（FA）基二维钙钛矿材料，并获得了业界迄今为止效率最高、稳定性最好的二维钙钛矿太阳能电池器件。目前，该成果以Highly thermostable and efficient formamidinium-based low-dimensional perovskite solar cells为题，发表于国际知名学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。

作为一种新兴的光伏技术，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率迅速提升，但其环境稳定性差的缺点是制约其进一步产业化应用的主要阻碍。研究表明，通过引入长链有机阳离子形成二维钙钛矿可以有效提高材料的环境稳定性。目前，大多数二维钙钛矿都属于Ruddlesden-Popper（RP）类型，并且含有热不稳定的甲胺分子（MA），这导致了器件的光伏效率低和稳定性差。陈刚课题组研发了一种新型的不含MA的二维Dion-Jacobson相（DJ）钙钛矿结构，其通式为(PDA)(FA)n-1PbnI3n+1，其中甲脒（FA）为中心阳离子，有机间隔阳离子为丙烷二胺（PDA）。在这种FA基的二维DJ相钙钛矿材料中，FA可以有效地提高钙钛矿薄膜的热稳定性，PDA则通过氢键作用链接两层钙钛矿面来提高载流子的传输能力。

通过在薄膜制备过程中引入氯化甲脒（FACl）作为添加剂，有效地消除了非钙钛矿相和碘化铅的含量，获得了晶粒取向良好的二维钙钛矿薄膜。另外，他们通过掠入射X射线衍射(GIXRD)技术研究了Cl的作用，揭示了含Cl的中间产物在退火过程中以瞬态形式存在并消失的过程。优化的FA基二维DJ相钙钛矿薄膜的光伏器件表现出优良的光电转换效率，其效率达到13.8%，是业界FA基二维钙钛矿太阳能电池迄今为止的最高效率（之前的记录为7%）。此外，与含有MA的类似结构的二维钙钛矿相比，FA基二维钙钛矿薄膜及其对应的太阳能电池器件都表现出极高的热稳定性和更好的湿度稳定性。该研究不仅获得了一种新型的二维钙钛矿材料和光伏器件，也为钙钛矿薄膜的结晶过程提供了新的调控方法。

物质学院2018级研究生程蕾为文章的第一作者，陈刚教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、上海市科委、上科大启动经费及上海光源的大力支持。

图| 甲脒（FA）基二维钙钛矿薄膜生长的机理

图| 部分团队成员，从左至右：翟羽丰、孟轲、程蕾、陈刚、乔治、黎顺德