近日，南京邮电大学材料科学与工程学院、有机电子与信息显示国家重点实验室在二维锡基钙钛矿太阳能电池领域取得了最新的研究进展。研究团队创新性设计并引入了高偶极矩3-aminobenzylamine（3ABA2+）有机配体分子作为间隔材料，成功制备了高性能二维Dion−Jacobson（DJ）相锡基钙钛矿太阳能电池，有效提高了该类太阳能电池的效率和稳定性。该研究成果以“Dion−Jacobson-Phase 2D Sn-Based Perovskite Comprising a High Dipole Moment of π Conjugated Short-Chain Organic Spacers for High-Performance Solar Cell Applications”为题发表在国际学术期刊ACS Nano（《美国化学学会纳米》）上。重点实验室陈淑芬教授、澳门大学的邢贵川教授和黄维院士为论文共同通讯作者，重点实验室钱洁博士生、申一凡博士生、赵香青硕士生和吉林大学李亚文博士（现为南方科技大学博士后）为论文共同第一作者。
近年来，三维锡基钙钛矿太阳能电池的效率已显著提升至14.8%，然而其稳定性仍是该领域亟待解决的核心问题。三维钙钛矿结构中各组分之间的相互作用力较弱，容易在高温、湿度和光照等条件诱导下发生降解。二维钙钛矿材料中的有机间隔层能有效阻挡水分和离子侵蚀，提供保护屏障，从而提高活性层稳定性。因此，二维组分的引入成为锡基钙钛矿太阳能电池稳定性提升的重要策略。然而，传统二维锡基钙钛矿往往存在成膜质量较差和载流子利用率低等问题，限制了光伏器件性能的提升。
为了应对上述挑战，研究团队设计并引入了具有π共轭结构的短链3ABA2+ 和4-aminobenzylamine（4ABA2+）有机配体，成功制备出高质量的二维DJ相锡基钙钛矿薄膜。具有高偶极矩和π共轭的3ABA2+有机配体能够有效降低激子结合能、加速激子解离，同时能提高载流子传输与提取速率，从而提升活性层激子解离和传输效率，最终提高电池光电转换效率。同时，针对锡基钙钛矿薄膜结晶速率快、膜层质量差的问题，团队提出用醋酸盐部分取代3ABAI2和4ABAI2中碘盐原料，醋酸根离子延缓了[SnI6]4-无机骨架的结晶速率，结合甲胺氢溴酸盐表面后处理工艺，成功制备了致密的高质量钙钛矿薄膜。经优化，基于高偶极矩3ABA2+的二维DJ相锡基钙钛矿太阳能电池实现了6.81%的效率，未封装器件在N2气氛中存储840小时仍然保持95%以上的初始效率。这一成果是迄今为止报道的效率最高、寿命最长的二维DJ相锡基钙钛矿太阳能电池，为未来实现更高效、更稳定的钙钛矿太阳能器件提供了新的思路与策略。
图：（a）3ABA2+和4ABA2+有机配体形成的二维DJ相锡基钙钛矿示意图，光伏器件的（b）J-V和（c）稳定性曲线
该项研究成果得到了国家自然科学基金、江苏省科技项目（港澳台科技合作项目）、江苏省自然科学基金、江苏省高等学校重点学科发展项目、澳门特别行政区科技发展基金、澳门大学研究基金、深圳市科技创新委员会、江苏省研究生研究与实践创新计划和南京邮电大学科学基金等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02076.
撰稿：陈淑芬、夏俊民 编辑：刘欣茹 审核：凌海峰