黄劲松团队又一Nature Energy

【导读】

得益于量子限域效应，二维钙钛矿不仅表现出独特激子、自旋动力学，而且具有比三维钙钛矿更加优异的稳定性。这使其成为制备高稳定性钙钛矿太阳能电池的优秀候选者。然而，由于二维钙钛矿材料在垂直平面方向上较低的离子迁移率，二维钙钛矿通常要与三维钙钛矿配合组成钙钛矿太阳能电池的吸收层。这种策略实现了二维钙钛矿和三维钙钛矿的强强联合，是实现钙钛矿太阳能电池最终应用的有效途径。尽管二维/三维（2D/3D）钙钛矿组合的太阳能电池在低温下表现出良好的工作稳定性，然而，其高温下较差的稳定性一直是阻碍其应用的瓶颈。因此，探明2D/3D钙钛矿热不稳定性的原因并寻找一种有效提升热稳定性的策略是研究的重点。

【成果掠影】

近日，北卡罗莱纳大学的黄劲松教授团队在Nature Energy发表了新的研究论文，探明了常用的组成二维钙钛矿的铵盐阳离子的高温下的去质子化是2D/3D钙钛矿吸收层热不稳定性的起源，并展示了使用具有大酸解离常数（pK_a）的阳离子可以显著提升2D/3D钙钛矿层的热稳定性。在本项研究中，作者首先确定了在FA_0.9Cs_0.1PbI₃钙钛矿薄膜中引起高温不稳定性的源头在于PEA⁺（苯甲铵）阳离子。进一步地，作者通过X射线衍射手段并结合理论分析，探明了PEA⁺离子在高温下会发生去质子化，所得到的胺会消耗FA⁺（甲脒）生成PEAMA⁺从而导致器件高温不稳定性。在此基础上，作者提出并实验证明了采用具有高pK_a的铵盐阳离子（如PEAMA⁺和BAMA⁺）将显著降低去质子化效应从而提升FA基钙钛矿薄膜的高温稳定性。最后，作者展示了以FA_0.9Cs_0.1PbI₃为吸收层的钙钛矿太阳能电池在PEAMA⁺添加剂的辅助下，在85 ^oC经过1500小时光照仍能维持90%的效率，而参比器件在相同条件下经过800小时效率就下降至初始效率的90%。

相关研究文章以“Ammonium cations with high pK_a in perovskite solar cells for improved high-temperature photostability”为题发表在Nature Energy上。

【核心创新点】

探明了导致2D/3D混合钙钛矿薄膜高温不稳定的关键因素是组成2D钙钛矿的铵盐阳离子的去质子化。通过巧妙的设计，采用具有大pK_a的阳离子显著抑制了去质子化，从而提升了钙钛矿薄膜的高温稳定性。

【数据概览】

图1. 含有PEA⁺添加剂的FA_0.9Cs_0.1PbI₃钙钛矿太阳能电池的稳定性随温度的变化。©2023 Springer Nature

图2. 高温光照下，添加和不添加PEA⁺的情况下FACs钙钛矿薄膜的相变。©2023 Springer Nature

图3.  PEA⁺/FACsPbI₃薄膜中的化学反应。©2023 Springer Nature

图4. PEAMA⁺的钝化效果。©2023 Springer Nature

图5. 器件的表征 ©2023 Springer Nature

【成果启示】

本项研究为进一步提升2D/3D钙钛矿太阳能电池的高温稳定性提出了新的思路。文章所提出的实验思路对于提升钙钛矿发光二极管等工作温度较高的钙钛矿器件同样具有重要意义。

原文详情：Mengru Wang, Zhifang Shi, Chengbin Fei, Zhewen J. D. Deng, Guang Yang, Sean P. Dunfield, David P. Fenning, Jinsong Huan, Ammonium cations with high pK_a in perovskite solar cells for improved high-temperature photostability, Nature Energy, 2023.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01362-0

本文由NSCD供稿。