昆士兰大学王连洲团队ACS Nano综述：二维-三维钙钛矿双层异质结构实现高效稳定太阳能电池

第一作者：陈鹏

通讯作者：王连洲*

单位：澳大利亚昆士兰大学

钙钛矿太阳能电池因其廉价的原材料、简便的低温制备工艺以及较高的能量转化效率，被认为是新一代有望商业化的低成本光伏技术。然而，因其主要功能材料的三维钙钛矿材料在水汽、加热和长期光照下易降解，钙钛矿太阳能电池的工作寿命仍远不及传统的商业化硅基太阳能电池。相比于环境敏感的三维钙钛矿材料，二维钙钛矿虽对外部环境刺激的耐受性大大增强，但其导电性较低，因而光生载流子的传输能力较差。针对该难题，研究者发现对三维钙钛矿薄膜表面进行有机卤化盐化学后处理，可在三维钙钛矿薄膜表面原位生长二维钙钛矿纳米层，从而获得二维-三维钙钛矿的双层异质结构。

近日，来自 澳大利亚昆士兰大学的王连洲教授团队 ，在 ACS Nano 上发表了题为 “Bilayer 2D-3D Perovskite Heterostructures for Efficient and Stable Solar Cells” 的综述文章，第一作者为陈鹏博士。通过回顾近十多年在二维-三维钙钛矿双层异质结构的发展历程，该综述讨论了其在分子结构设计、界面载流子动力学、涂覆工艺及表界面表征技术上的先进经验，介绍了其在阳离子工程和晶相调控上的有效策略，并将其发展趋势总结为：从体相异质结到双层异质结、从二维钙钛矿到准二维钙钛矿、从混合晶相二维钙钛矿到纯相二维钙钛矿、从上表面到埋底界面、从二维钙钛矿到表面配体。同时，该文基于二维-三维钙钛矿双层异质结构现阶段的挑战和机遇，提出了一系列有望改善界面载流子传输和晶体调控的分子结构设计思路，有助于加速钙钛矿光伏的产业化进程。

根据空间层的有机阳离子分布方式，二维钙钛矿主要可分为RP、DJ和ACI三种类型。因有机阳离子与铅碘八面体的耦合能力不同，二维钙钛矿的晶体结构会随着Pb-I-Pb角度和阳离子插入深度的变化进行扭曲，从而影响其禁带宽度、量子限域效应、载流子传输能力等重要光电性质。例如，有机阳离子上的过度插入会导致铅碘八面体的扭曲，降低Pb-I-Pb角度，从而使得二维钙钛矿的禁带宽度变宽，不利于界面载流子传输。同时，在有机阳离子上修饰异原子可大大改变空间层的化学耦合，亦可导致铅碘八面体的扭曲，从而对其分子轨道造成影响，使得二维钙钛矿的导带和价带发生变化，可用于调节异质结构的界面能级匹配程度。

通过调节二维钙钛矿的晶体结构，构筑的二维-三维钙钛矿双层异质结构可获得更优异的界面载流子动力学，主要手段包括：（1）共轭阳离子提升空间层导电性，（2）增加准二维钙钛矿的n值提升其介电常数，（3）纯相二维钙钛矿提升能级结构可控性及降低缺陷密度，（4）设计新型阳离子在界面构建II型能级匹配。

为抑制三维钙钛矿薄膜表面的腐蚀，二维钙钛矿的化学后处理可采用不同前驱体溶剂，控制溶液停留时长，选择是否采用加热老化以及过量碘化铅的用量。对于埋底界面二维钙钛矿的生长，可采用在DMF溶剂中溶解度更低的有机盐，用于抵御三维钙钛矿涂膜的腐蚀。同时，除了常规上表面表征手段，可通过结合紫外可见光谱、荧光光谱、超快吸收光谱、广角X衍射等技术对制备的二维-三维钙钛矿双层异质结构进行光电表征。另外，测试深度可调的XPS和广角X衍射可获得更多埋底界面信息。

近些年二维-三维钙钛矿双层异质结构的研究热点主要集中在如何增加界面载流子活性和提升器件工作寿命，主要策略可概括为以下五个方面：（1）构筑二维钙钛矿界面层提升面外载流子传输，避免相对绝缘的阳离子造成的载流子复合损失；（2）准二维钙钛矿层抑制量子限域效应，提升导电性；（3）控制二维钙钛矿的结晶过程，从而获得相分布较窄的二维钙钛矿层，优化界面能级结构；（4）在埋底界面实现二维钙钛矿的可控生长，获得双界面缺陷钝化效果，并抑制层间离子迁移；（5）设计有机配体实现界面光电性质的灵活调控。

针对现今二维-三维钙钛矿双层异质结构在载流子传输、晶相分布以及缺陷钝化能力上的挑战，本文提出可通过配位能力更强的DJ或ACI型二维钙钛矿提升界面传输，可采用预合成的二维钙钛矿前驱体改善晶相纯度，可选用化学吸附能力更强的小分子调节表面能带结构。通过对分子结构和器件结构的合理设计，优化后的二维-三维钙钛矿双层异质结构将继续提升钙钛矿太阳能电池的效率及长期工作稳定性，进一步推动其产业化之路。

Bilayer 2D-3D Perovskite Heterostructures for Efficient and Stable Solar Cells

王连洲  教授：澳大利亚研究理事会桂冠学者，欧洲科学院院士，昆士兰大学纳米材料中心主任。其主要研究领域为半导体纳米材料在能量转换和储存上的应用，包括催化产氢、新一代太阳能电池、二次电池等。以通讯作者身份在Science, Nat. Energy, Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等学术刊物上发表500多篇研究论文，被引用50,000 余次，H因子121。

陈鹏  博士：于2020年在澳大利亚昆士兰大学化学工程学院获博士学位，师从王连洲教授，澳大利亚研究理事会优秀青年基金获得者，主要研究方向为钙钛矿太阳能电池及其绿色产氢工艺，在Science, Nat. Energy, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等学术刊物上发表40余篇研究论文，被引用4,800 余次，H因子29。

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