通过钝化钙钛矿吸收体和电荷传输层之间的晶界与界面，可以实现溶液加工钙钛矿太阳电池(PSCs)功率转换效率(PCE)的逐步提高。二维(2D)卤化物钙钛矿(HaP)作为提高开路电压(VOC)和填充因子(FF)最有效的钝化层，通常通过旋涂在3D HaP上分散在异丙醇或氯仿中的有机阳离子来生长。该涂层可以从3D钙钛矿层中去除一些多余的碘化铅(PbI2)，然后形成非均匀2D相或宽禁带2D HaP超薄层。
在本文中，通过溶剂介电常数和Gutmann给体数的杠杆作用，作者成功在3D钙钛矿上生长具有所需成分、厚度和带隙的纯相二维(2D)卤化物钙钛矿，该过程无需溶解底层基底。研究发现，20 nm的3D-2D过渡区主要由底部3D层的粗糙度决定。测试表明，太阳电池的光伏效率高达24.5%，T99稳定性长达2000 h以上，表明该3D/2D双层可继承2D钙钛矿的耐久性，而不影响效率。
通讯作者：Jacky Even、Aditya D. Mohite
DOI: 10.1126/science.abq7652
亮点解析
3D/PP 2D HaP双层叠层的设计原理
如图1a所示，能够选择性地溶解2D或3D HaP而不破坏底层3D或2D层的溶剂综合选择标准，为介电常数和Gutmann给体数。这两个不同的属性是相互关联的，相互作用的强度决定着3D和2D HaP粉末在不同溶剂中的溶解度差异。从图1b中可以看出，RP 2D (BA2MAPb2I7)和3D HaP粉末在不同溶剂中的溶解度差异。介电常数> 30的极性非质子溶剂(图1a, 绿点)，如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)，可以完全溶解3D和2D HaP；而非极性溶剂(图1a, 蓝点)和极性质子溶剂(图1a, 红点)则不能完全溶解2D HaP粉末(图1b)。为制备具有不同2D钙钛矿相并具有所需n值及厚度的3D/2D HaP双层，测试RP 2D钙钛矿(BA2MAn–1PbnI3n+1, n = 1~4)和其它晶相如DJ [(4AMP)MAPb2I7]和ACI [(GA)MA2Pb2I7]在确定2D钙钛矿选择性溶剂中的溶解度(图1c)，并采用旋涂、滴铸、刀片涂层或槽模涂层制造出3D/2D HaP双层(图1d)。
图1.溶液加工制备出3D/PP 2D HaP双层叠层的设计原理。
如图2a所示，为具有不同2D RP BA2MAn-1PbnI3n+1钙钛矿(n = 1-4)的3D对照和3D/2D HaP双层的XRD表征结果，其低角度Bragg峰与相应的拟合结果相匹配，表明2D HaP层具有较高的相纯度。通过吸光度(图2b)和PL光谱(图2c)可进一步测试出相纯度。光学吸光分析表明对照膜在1.6 eV处存在3D HaP带边缘，伴随着一个从2.4 eV (n = 1)到1.9 eV (n = 4)的激子峰，对应于3D/2D双层中的不同n值。为评估3D/2D HaP双层的空间均匀性，采用共焦显微镜监测以3D峰(1.6 eV)和2D峰(n = 2, 2.15 eV)为中心的PL光谱(图2d)。可以发现，2D和底部3D HaP层在20×20 μm的大面积上均匀发光，证实3D/2D HaP双层叠层的均匀性。
图2. 3D和n=1-4的3D/PP-2D HaP双层的结构和光谱学表征。
对照3D (图3a)和3D/PP-2D HaP双层(图3b)的飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)深度剖面揭示出离子分布与膜厚度的函数关系，显示离子均匀分布在50 nm的厚度上，随后浓度急剧下降。如图3c-d所示，不同入射角(或深度)的3D/PP-2D HaP双层掠入射广角X射线散射(GIWAXS)光谱表明表面上存在着水平取向的BA2MAPb2I7 2D HaP (α=0.08°)和底部呈环状的3D HaP (Cs0.05(MA0.10FA0.85)Pb(I0.90Br0.10)3] (α=0.5°)。该结果与RP-2D HaP的X射线穿透深度曲线计算结果一致，显示出0.181°的临界角(αc)。不同入射角(0°-0.5°)的GIWAXS光谱(020)峰(2D特征)和(111)/(001)峰(3D特征)积分面积可以显示出3D/PP-2D界面。如图3f所示，(020)积分面积不变，而(111)/(001)增加，表明存在一层厚度为50至60 nm的2D HaP层，该层堆叠在3D HaP的顶部。此外，硅基底上生长3D/PP-2D (RP BA2MAPb2I7) HaP双层的暗场横截面高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)图表明3D HaP薄膜顶部2D HaP层的均匀性(图3g)。
如图4a所示，根据第一原理计算预测结合光电发射产额光谱(PES)和吸收测试验证，构建出2D HaP, RP BA2MAn–1PbnI3n+1(n = 1-4)和3D钙钛矿Cs0.05(MA0.10FA0.85)Pb(I0.90Br0.10)3的能带排列。随后，采用FTO/SnO2/3D/PP-2D (n = 3)/spiro-OMeTAD/Au结构制备出n-i-p型钙钛矿太阳电池，并通过在MeCN中旋涂不同浓度的2D钙钛矿溶液来控制PP-2D的厚度。图4b为三种选定厚度2D HaP层的电流-电压(I-V)特性，并以3D HaP作为对照。对于n-i-p电池而言，随着2D HaP厚度从0增加到50 nm，VOC从1.09增加到1.20 V。VOC的增加伴随着FF从0.80略微增加到0.84，JSC从23.54略微增加到24.34 mA/cm2，使得50 nm 2D HaP厚度的峰值PCE为24.5%。此外，采用ISOS-L-1协议测试3D/PP-2D双层封装器件的长期运行稳定性，在持续照射2000小时后，3D/PP-2D HaP双层器件的性能显示出可忽略的衰减(T99>2000 h)，而3D对照器件则失去25%的初始PCE。
图4. 3D/PP-2D (BA2MA2Pb3I10) HaP双层太阳电池的光伏性能和长期稳定性。
文献来源
Siraj Sidhik, Yafei Wang, Michael De Siena, Reza Asadpour, Andrew J. Torma, Tanguy Terlier, Kevin Ho, Wenbin Li, Anand B. Puthirath, Xinting Shuai, Ayush Agrawal, Boubacar Traore, Matthew Jones, Rajiv Giridharagopal, Pulickel M. Ajayan, Joseph Strzalka, David S. Ginger, Claudine Katan, Muhammad Ashraful Alam, Jacky Even, Mercouri G. Kanatzidis, Aditya D. Mohite. Deterministic fabrication of 3D/2D perovskite bilayer stacks for durable and efficient solar cells. Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abq7652.
文献链接：https://doi.org/10.1126/science.abq7652
本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
