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相關研究表明二維(2D)鈣鈦礦比三維(3D)鈣鈦礦具備更好的穩(wěn)定性，因此被廣泛用做界面修飾層以鈍化3D鈣鈦礦薄膜，減少薄膜缺陷，改善性能和穩(wěn)定性。但2D鈣鈦礦的載流子傳輸性能不如3D結(jié)構(gòu)，這在一定程度上抑制了其改善作用，因此如何有效改善2D鈣鈦礦載流子傳輸性能，以最大化其鈍化效果、進一步提升鈣鈦礦電池性能和穩(wěn)定性成為了研究熱點。

美國國家可再生能源實驗室Kai Zhu教授課題組牽頭的聯(lián)合研究團隊利用分子工程設計了以二價銨作為間隔陽離子的Dion-Jacobson(DJ)相2D鈣鈦礦薄膜，充當鈍化層來修飾3D鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了對鈣鈦礦薄膜缺陷有效鈍化，抑制了非輻射的復合損失，同時由于DJ相2D鈣鈦礦具備弱氫鍵使得空穴傳輸?shù)玫搅孙@著改善，進而顯著增強了電池性能和穩(wěn)定性，最優(yōu)電池性能接近25%，且可以穩(wěn)定運行1000小時，為鈣鈦礦大面積規(guī)模化制備積累了關鍵技術基礎。

目前廣泛報道的2D鈣鈦礦主要是Ruddlesden-Popper(RP)相結(jié)構(gòu)，但該類薄膜具備了很強的層間氫鍵作用，使得載流子傳輸受到抑制。為此，研究人員通過分子工程設計制備出以二價銨作為間隔陽離子的DJ相2D鈣鈦礦，其層間的氫鍵作用顯著弱化，有助于促進載流子傳輸。為了對比，研究人員同時制備了RP相2D鈣鈦礦并開展了電化學性能測試，結(jié)果顯示DJ相的外平面載流子傳輸效率比3D相高了4-5個數(shù)量級。而基于DJ相的2D鈣鈦礦薄膜電池器件效率可達4.9%，這是目前文獻報道的2D鈣鈦礦電池性能最高值。隨后研究人員以上述DJ相2D鈣鈦礦薄膜作為界面修飾層用于鈍化3D鈣鈦礦，一系列的微觀結(jié)構(gòu)表征顯示2D鈣鈦礦薄膜鈍化后，鈣鈦礦薄膜的缺陷態(tài)密度顯著減少，且空穴傳輸能壘顯著下降(意味空穴傳輸效率提升)，主要是因為化學鍵的相互作用使得覆蓋2D鈣鈦礦不對稱有機分子在3D鈣鈦礦薄膜表面出現(xiàn)了擇優(yōu)取向。進一步，研究人員以上述2D/3D鈣鈦礦薄膜作為活性層制備電池器件并測試電化學性能，實驗發(fā)現(xiàn)電池性能從無2D鈍化的22%顯著提升到了24.7%;更為關鍵的是長程穩(wěn)定性研究顯示，無封裝的電池在一個模擬標準太陽光、40℃氮氣氛圍下連續(xù)工作1000小時后僅僅衰減了10%，相比之下無2D鈍化電池器件性能出了大幅衰退，下降了近50%。表明了DJ相2D鈣鈦礦不僅可以增強電池性能，還有助于提升電池的長程穩(wěn)定性。


該項研究精心設計制備了一種具備層間弱氫鍵的DJ相2D鈣鈦礦并用于鈍化3D鈣鈦礦，減少薄膜缺陷，增強了空穴傳輸，進而增強了電池性能和長程穩(wěn)定性，電池器件轉(zhuǎn)換效率從無鈍化22%大幅增加到了24.7%，且在無封裝情況可以高效穩(wěn)定運行1000小時，表現(xiàn)出了優(yōu)異的長程穩(wěn)定性，為制備高效長壽命的鈣鈦礦電池提供了新思路和技術路線。相關研究成果發(fā)表在《Science》。

原文：FEI ZHANG, SO YEON PARK, CANGLANG YAO, et al. metastableDion-Jacobson 2D structure enables efficient and stable perovskite solar cells.Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abj2637 

原標題：2D鈣鈦礦鈍化助力太陽電池實現(xiàn)上千小時穩(wěn)定性運行