范建东/李闻哲在钙钛矿太阳电池器件研究取得重要进展
发布时间：2021-08-20 发布人：吴绚
近日，我院范建东/李闻哲课题组在全无机钙钛矿太阳电池器件研究取得重要进展，相关研究结果发表在Nano Energy （IF=17.881）和Small（IF=13.281）上，硕士研究生龙毅和刘琨分别为论文第一作者，范建东研究员和李闻哲副研究员为通讯作者。
近年来，CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池的稳定性成为限制其发展的重要瓶颈。鉴于此，我们设计并生长了基于5-氨基喹啉(Aq)的铅碘钙钛矿材料，其中[PbI6]2-八面体骨架沿[001]方向肩并肩排列，A位氨基喹啉π-π堆叠并填充在八面体空隙中。该晶体的特殊结构实现了1D 5-AqPbI3(II) /3D CsPbI2Br间的异质结匹配。喹啉基团间的共轭效应实现了电荷多通道电荷传输，改善了低维-三维度杂化钙钛矿的载流子输运性能。此外，喹啉层间较小的范德华间隙抑制了水分子的渗透，提高了杂化钙钛矿薄膜的水稳定性。相关研究结果发表在Nano Energy上。
图1. (a) 5-AqPbI3(II)钙钛矿生长机理图，(b) 1D-3D钙钛矿的异质结匹配图，(c) 界面电荷差分电荷图，
(d) 钙钛矿薄膜浸泡在乙醇水溶液（3:1）中的实物图，(e) 喹啉基团共轭结构及防水机制图。
同时，我们通过引入三联吡啶（Tpy）有机基团作为A位阳离子，制备了1D-2D-3D多维度杂化的钙钛矿太阳能电池。理论计算结果表明，低维钙钛矿结构中，Tpy的离域π电子贡献了导带能级，并可以顺利地迁移至低维钙钛矿的[PbI6]4-骨架参与电荷输运，一定程度上解决了维度杂化钙钛矿中电荷输运受阻的难题。低维钙钛矿因其骨架具有柔韧性，在晶格中与3D CsPbI2Br形成微区异质结释放了钙钛矿薄膜中的残余应力，降低了缺陷浓度和非辐射复合。基于该结构的1D-2D-3D CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的效率达到了16.13%，在湿气作用下的稳定性显著提升。相关研究结果发表在Small上。新型低维钙钛矿策略将有利于推动无机钙钛矿太阳能电池产业化进程。
图2. (a) 1D-2D-3D钙钛矿薄膜应力释放原理图，(b) 太阳电池器件的IV曲线与效率统计图，
(c) 电池器件在30%RH湿度下的稳定性曲线图。
该研究由国家自然科学基金项目 (51872126、22075103、51672111、51802120)，广东省自然科学基金杰出青年项目(2019B151502030)，广州市科技计划项目(202002030159)，中央高校基础研究经费(21621112)，珠江“青年拔尖人才”项目(2017GC010424)，广东省海外创新团队项目(2016ZT06D081)的共同资助。
1. π-π conjugate structure enabling the channel construction of carrier-facilitated transport in 1D–3D multidimensional CsPbI2Br solar cells with high stability, Nano Energy, 2021,89, 10634.
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005954?via%3Dihub
2. Architecturing 1D-2D-3D Multidimensional Coupled CsPbI2Br Perovskites toward Highly Effective and Stable Solar Cells, Small, 2021, 2100888.
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202100888