陕师大赵奎&刘生忠团队NANO LETTERS: 2D/3D异质结界面工程提升钙钛矿太阳能电池性能

目前，三维(3D)有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池已经获得了国际认证的25.2%的光电转换效率，但是环境湿度、光热辐射均会降低其器件性能。而二维(2D)钙钛矿太阳能电池的疏水间隔层和致密的晶体结构避免了与水气直接接触，可以在环境湿度下稳定存在数千小时。因此，通常将3D钙钛矿嵌入到2D钙钛矿内部，并把2D钙钛矿作为表面的封顶层，提高3D钙钛矿的稳定性。

目前，基于多种阳离子的2D/3D多级结构钙钛矿器件已经实现高效且湿度稳定的性能。而且，2D钙钛矿薄膜的性质（包括厚度分布、取向和量子阱间电荷传输）已经得到了很多研究。但是，2D/3D异质结界面的机制还没有得到深入的理解。例如，配体化学对2D钙钛矿的厚度分布和取向至关重要，最终会影响2D/3D异质结的电荷转移和器件的电荷萃取/传输。然而，2D/3D异质结配体化学如何影响电荷收集和光伏性能仍是一个未解之谜。因此， 2D钙钛矿的配体化学对于2D/3D异质结和器件性能的影响，即2D/3D钙钛矿异质结的界面工程成为了一个有趣却尚未探索的方向。这种研究对提高内置电压和降低电荷复合损失具有重要作用，可以进一步广泛应用到高性能和空气稳定的钙钛矿太阳能电池中。

为了深入理解基于氟化间隔层及成分调控的界面工程如何影响2D/3D FAPbI₃基钙钛矿太阳能电池的电荷传输/萃取和光电参数，陕西师范大学赵奎&刘生忠团队在3D FAPbI₃上通过模板法生长了2D量子阱覆盖层。通过调节2D量子阱薄膜的成分和取向，增强了 2D/3D异质结界面的电荷传输，最终2D/3D平面钙钛矿太阳能电池实现了21.15%的光电转换效率和卓越的湿度稳定性。相关研究结果于2019年9月以“Interfacial Engineering at the 2D/3D Heterojunction for High-Performance Perovskite Solar Cells”为题发表在NANO LETTERS期刊上。

图1.2D/3D分层结构工程。（a）2D/3D异质结的制备。（b）具有不同化学结构和组成的间隔层。（c）2D/3D分层结构的示意图。2D/3D薄膜的截面(d)和(e)SEM图像。(f) 2D/3D薄膜的AFM图像。(g) FBA, FPEA, BA和PEA:FA(1:1)基 2D/3D钙钛矿膜的SEM图像。

在FAPbI₃+PbI₂膜上旋涂含I的间隔层前驱体溶液，退火后得到2D/3D分层结构(图1a-c)。SEM图显示，致密、片状结构的2D/3D薄膜晶粒尺寸为几百纳米，而3D膜的晶粒尺寸可达0.5-1.0微米(图1d-e)。AFM图显示2D薄片堆垛在2D/3D膜表面，同时2D覆盖层显著降低了薄膜表面粗糙度(图1f)。通过引入2D覆盖层，FBA、FPEA、BA和PEA:FA(1:1)基 2D/3D钙钛矿薄膜的质量也得到了提高(图1g)。

图2.量子阱的结构和取向。（a, b, c）PEA基的2D/3D膜，纯(PEA)₂PbI₄膜和(PEA)₂PbI₄单晶的非原位 GIWAXS图案和对应强度与q的关系图。（d）2D/3D膜，(PEA)₂PbI₄膜和(PEA)₂PbI₄单晶量子阱的生长取向。（e）FBA，FPEA和基于BA的2D/3D膜的非原位 GIWAXS图案。（f）对照组和2D/3D薄膜的衍射特征图。（g）2D/3D薄膜的极性图

GIWAXS显示2D覆盖层存在(PEA)₂PbI₄衍射弧(2.6和3.7 nm^-1)，与纯的(PEA)₂PbI₄薄膜和单晶不同(图2a)。这意味着2D/3D薄膜中的量子阱不遵循固有的平行排列，而是沿着底层的3D晶格进行模板生长(图2d)。这种模板生长进一步降低了电荷在2D覆盖层中沿Z轴传输的势垒，有利于提升2D/3D器件的短路电流密度。所有2D/3D膜的量子阱衍射弧没有周期性的平行取向，表明3D膜诱导量子阱模板生长。BA和FBA基的2D/3D膜是纯相(n=2)的量子阱(q=3.1 nm^-1)，而PEA和FPEA基的是杂相(n=1和n=2共存)量子阱(图2e-f)。

图3. 内建能带结构和电荷动力学。(a)对照组和2D/3D薄膜的吸收光谱。(b)PEA基2D/3D薄膜正面和反面光照的稳态PL光谱。(c) (PEA)₂PbI₄，FAPbI₃及其界面的DOS分析。(d)对照组和不同2D/3D薄膜在不同迟滞时间下的正面激发TA光谱。(e)不同薄膜在t=2 ps下的正面激发TA光谱。(f) PEA基2D/3D薄膜漂白峰恢复的动态变化。(g)不同薄膜在正面激发下3D漂白的TA动力学。(h) 2D和3D相之间的电荷转移示意图。

所有膜的线性吸收光谱表明3D相的带隙为1.54 eV，n=2的量子阱的带隙为2.18 eV(图3a)。与背面激发（玻璃侧）相比，2D/3D薄膜内3D相正面激发（薄膜表面）的光致发光（PL）强度增加了2倍，说明在2D / 3D异质结处抑制了势阱的形成(图3b)。态密度计算表明，体相 (PEA)₂PbI₄ 和FAPbI₃的带隙分别是2.08 eV和1.47 eV，而2D/3D异质结的带隙比体相FAPbI₃高0.05 eV。体相 (PEA)₂PbI₄ 和FAPbI₃的价带分别是-4.80 eV和-5.13 eV，而对应的导带分别为-2.72 eV和 -3.66 eV(图3c)。这个结果表明在2D/3D异质结处产生了内建能级结构，有利于提高光生载流子的分离和传输效率。不同迟滞时间的瞬态吸收光谱（TA）表明脂肪族和芳香族2D/3D膜中的间隔层纯相和杂相量子阱(图3d)。当BA三氟化后，n=2的QW发生了蓝移(图3e)。图3f显示3D漂白峰形成伴随着QW漂白峰的快速衰退，这是因为电子从QWs传送到3D相时，空穴沿着相反方向输送。相比于PEA, FPEA, BA和FBA，电荷在FA:PEA (1:1)膜中的2D/3D异质结间传输得更快(图3g)。

图4. 电荷复合损失，光电性能和电荷收集机理。(a)缺陷密度和电子迁移率统计图 (b)TRPL (c)器件效率统计图 (d)正反扫下的J-V曲线 (e)迟滞因子直方图 (f)最佳器件在最大功率点下的稳定功率输出 (g)不同电压下的标准化J-V曲线斜率 (h)开路和短路下的斜率值。

SCLC和TRPL结果表明，PEA:FA(1:1)基的2D/3D薄膜有更高的电荷迁移率,更低的缺陷密度和更长的电荷寿命，因此对异质结的钝化和电荷传输更有利(图4a-b)。最终的器件为平面结构glass/FTO/c-TiO₂/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au。对照组的最高效率为19.02%，而氟化2D/3D钙钛矿器件的效率更低。BA、PEA和PEA:FA(1:1)基的2D/3D器件最高效率分别为19.50%，19.84%和21.15%，主要是由于显著提高的V_oc和略微提升的FF，同时PEA:FA(1:1)基2D/3D器件的迟滞因子显著降低，输出效率稳定(图4c-f)。开路条件下，PEA:FA(1:1)基的2D/3D器件电荷收集效率最高(图4h)。

图5.环境稳定性。(a) 具有强耐水性的表面2D覆盖层示意图。(b) 水在不同钙钛矿膜上的接触角。(c,d)大气环境中，薄膜老化前后的XRD图谱。(e)在大气环境下，未封装器件的稳定性。

2D覆盖层的高润湿角起到了防水作用，保护了下面的3D FAPbI₃不被湿气侵蚀(图5a-b)。这种2D/3D异质结协助的稳定相最终提高了器件的长期稳定性(图5c-d)。在大气环境下保存60天后，FPEA基的器件仍然可以达到初始效率的84%，而对照组的效率只有最初的3%(图5e)。

该工作阐明了基于氟化间隔层配体或成分调节的界面工程对电荷传输/萃取以及2D/3D FAPbI₃基钙钛矿太阳能电池性能的影响机制。通过成分调节，在底层3D相上通过模板法生长纯相或杂相的2D量子阱，形成2D/3D异质结。在内建能级和自发电荷传输的协同作用下，2D/3D异质结内的电荷经量子阱传向底层的3D膜，最终提升了2D/3D器件的光电性质。同时相应器件的迟滞效应被抑制，湿度稳定性得以提高。这个工作为2D/3D异质结的配位化学本质提供了深入理解，同时为未来2D/3D钙钛矿太阳能电池的设计规划了详细的路线。

 文献链接

Interfacial Engineering at the 2D/3D Heterojunction for High-Performance Perovskite Solar Cells (Nano Lett., 2019, DOI：10.1021/acs.nanolett.9b02781)

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.9b02781

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 |Mr. Jeran

主编丨张哲旭