化學(xué)所等制備高效高穩(wěn)定的二維鈣鈦礦光伏器件

:作為新一代薄膜太陽(yáng)能電池的代表性材料，鈣鈦礦的毒性及對(duì)水氧的敏感性嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。近年來(lái)，二維（2D）Sn基無(wú)鉛鈣鈦礦因其出色的穩(wěn)定性和低毒性，成為3D鈣鈦礦的替代材料。但由于二維材料結(jié)構(gòu)的特殊性，電子或空穴受量子尺寸效應(yīng)限制，其壽命和遷移率遠(yuǎn)低于3D結(jié)構(gòu)，因而其器件光電轉(zhuǎn)化效率明顯低于3D鈣鈦礦。這種穩(wěn)定性與高效率之間的矛盾成為實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)難題。

最近，在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員與鄭州大學(xué)合作，成功地將疏水性有機(jī)分子1,4-丁二胺引入到Sn基無(wú)鉛鈣鈦礦中，合成了一系列具有Dion-Jacobson相的準(zhǔn)二維鈣鈦礦。如下圖所示，具有典型準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的(BEA)FA2Sn3I10鈣鈦礦結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好，光吸收窗口與三維相比并沒(méi)有明顯減少，并具有合適的禁帶寬度。第一性原理計(jì)算表明，(BEA)FA2Sn3I10具有大的形成能（106j/mol），結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另外，(BEA)FA2Sn3I10薄膜致密性良好，載流子限域作用并不明顯，結(jié)合一維擴(kuò)散方程，計(jì)算出的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度為450 nm，空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度為360 nm，載流子遷移率為14.4 cm2V-1S-1。利用該(BEA)FA2Sn3I10薄膜制備出的太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)6.34%，是目前報(bào)道的Dion-Jacobson相的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高值。更為重要的是，在自然條件下，未封裝的器件經(jīng)過(guò)1000小時(shí)的老化，效率僅僅衰減8%。另外，在光照穩(wěn)定性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)200小時(shí)，器件效率仍有90%以上。通過(guò)這種新型低維無(wú)鉛鈣鈦礦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率和穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，對(duì)推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

該研究成果近日發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上，通訊作者是化學(xué)所研究員宋延林和鄭州大學(xué)博士張懿強(qiáng)，第一作者是博士生李鵬偉。

單晶(BEA)FA2Sn3I10的合成，晶體結(jié)構(gòu)及第一性原理計(jì)算