近日，大连理工大学三束实验室赵纪军教授课题组在新型太阳能电池研究领域获得新进展。他们首次制备出具有反向量子阱（QW）分布的一系列二维Ruddlesden-Popper钙钛矿材料（2D-RPPs），并成功使用该材料制备太阳能电池。该电池器件稳定性高，能量转换效率高达15.05%，是迄今为止已报道的具有正式结构的甲胺系（MA）二维钙钛矿太阳能电池中的最高纪录。
该成果投稿后迅速得到国际能源类顶级期刊Advanced Energy Materials（IF：21.875）审稿人和编辑部的高度评价，并以内封面论文的形式发表。文章的第一作者为大连理工大学三束实验室的魏一讲师。
近年来，有机-无机金属杂化钙钛矿材料因其可调的带隙，高吸收系数，长载流子扩散长度，低缺陷态密度等特性受到了广泛的关注。短短几年中，光电转换效率已经超过23%。为了实现其商业化应用，如何在兼顾高效率的同时增强钙钛矿太阳能电池的稳定性，是目前亟待解决的关键问题。
本研究中所制备的2D-RPPs结构为（CMA）2（MA）n-1PbnI3n + 1（MA为CH3NH3 +，CMA 为C6H11CH2NH3 +，n = 1，2，3 ......），采用环己甲胺（CMA）为间隔阳离子。与先前报道的RPP不同，这种新钙钛矿材料的沉积膜表现出反向量子阱（QW）分布的多个相：即小n值的相主要分布在薄膜表面而大n值相集中在薄膜底部。这种分布结构具有以下三个优点：（1）分布在表面具有更强抗湿性的小n值成分可作为屏障，保护脆弱的大n值成分免受水分子的侵蚀；（b）不同相之间组成了第二型能级排布，有利于自驱动电荷的传输；（c）独特的阶梯状量子阱分布拓宽了光子吸收范围，尤其增强了短波处的吸收。由于这些特性，基于环己甲胺的正式平面二维钙钛矿太阳能电池取得了1.10 V的高开路电压，达到了15.05%的能量转换效率。迄今为止，这一结果是已报道的具有正式结构的甲胺系（MA）二维钙钛矿太阳能电池中的最高效率。
由于这一特殊结构，环己甲胺二维钙钛矿薄膜表现出了超高湿度稳定性。未封装电池器件在相对湿度40%-70%的测试环境下，历经4600小时仍保有初始效率的95%以上。相比之下，常规三维钙钛矿电池在2000小时后就已完全失效。环己甲胺二维钙钛矿薄膜和器件优异的稳定性除了归功于疏水的环己甲胺基团外，更是因为薄膜中独一无二的反向量子阱相分布。使得表面的小n值成分阻隔了水分子对整个电池的侵蚀，稳固了整个钙钛矿晶体体系。
这种材料薄膜的制备方法简单，光电性能优。可在常温室内环境下，通过旋涂法直接形成高品质的薄膜，无需热浇筑、添加剂等复杂工艺辅助。在未来产业化应用中，具有良好的前景。
《Advanced Energy Materials》是材料，能源，环境领域的顶级期刊，专门报道环境能源领取最具有创新性与实用性的科学发现，其影响因子为21.875。
论文原文：Wei, Y., Chu, H., Tian, Y., Chen, B., Wu, K., Wang, J., Yang, X., Cai, B., Zhang, Y., Zhao, J.* et al. Reverse-Graded 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient Air-Stable Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2019. 2019, 9, 1900612.
文章链接：
