2D钙钛矿太阳能电池的能带调控
发布时间：2021-02-03 08:46
经过短短十年的发展,钙钛矿太阳能电池效率已经超过25%,极具商业化价值,这得益于三维（3D）钙钛矿材料具有合适的带隙、吸光系数高、电子迁移距离长等优点。但3D钙钛矿的稳定性依然是其亟待解决的问题。二维（2D）钙钛矿器件除了兼具3D钙钛矿的优异光电性质之外,其稳定性良好,是解决3D钙钛矿太阳能电池稳定性问题的一个可行方案。2D钙钛矿晶格中的疏水性大烷基胺阳离子能阻止湿气侵入的可能路径,使其成为光电器件的备选材料。由于2D钙钛矿对许多不同的有机和无机成分具有较高的耐受性,使其组成具有多样性,进而影响其能带变化。本文对2D钙钛矿的带隙调控及能带调控进行总结,希望对制备高效、稳定的低维度钙钛矿太阳能电池具有一定的指导意义。
【文章来源】：化学进展. 2020,32(07)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
钙钛矿太阳能电池原理及常用电荷传输材料能带信息[6～9]
2D钙钛矿的形成是通过使用大体积的有机阳离子,将3D钙钛矿沿<100>,<110>和<111>晶面进行切割,从而形成三种不同的结构的2D钙钛矿,如图2所示[25,26]。2D钙钛矿的组成可根据层数和晶面取向变化而改变。与3D钙钛矿不同,2D钙钛矿中的大体积有机阳离子可在钙钛矿降解的最初阶段为表面水分子的吸附提供空间位阻。[27]这使钙钛矿吸光层对水汽具有良好的稳定性[28]。在高温条件下,热应力会引起3D钙钛矿离子的迁移,从而导致其降解[29,30]。而在2D钙钛矿中,长链胺基的引入可适度的增加其对温度的耐受性。大体积有机胺离子可以增加离子迁移势垒,这有助于抑制挥发性离子从钙钛矿晶体中逸出。因此,2D钙钛矿材料能够获得比3D钙钛矿稍好的热稳定性,但是这种对温度的耐受性不是无限制的,通常仅能维持10 d左右[29,31～33]。沿<100>晶面切割的2D钙钛矿,由于对许多不同的有机和无机成分具有较高的耐受性,因而具有较高的组成多样性和稳定性,是研究最广泛的一类[34]。通常将其分为两个子类,包括Ruddlesden-Popper(RP)相和Dion-Jacobson(DJ)相。
2D RP相钙钛矿是目前报道最多的一类有机无机杂化2D钙钛矿材料,其晶体结构与无机化合物RP型层状钙钛矿材料Sr3Ti2O7和K2NiF4相似,结构式为R2An-1BnX3n+1,如图3所示。A、B和X与3D钙钛矿中的含义相同,R是一种体积较大的有机阳离子基团,充当层间间隔,通常为脂肪族或芳香族烷基胺。文献报道最多的R基团有正丁胺(BA=C4H9NH2)[29,35～37]和苯乙胺PEA[16,17,38],此外,还有环丙胺(CA=C3H5NH2)[39]、5-氨基戊酸(5-AVA=C5H11NO2)[40]、聚乙烯亚胺(PEI)[41]、2-噻吩甲胺(ThMA=C5H7NS)[42]等。它们由BA+、PEA+等单胺阳离子与一侧的钙钛矿层相互作用,层与层之间为较弱的范德华作用,连接相邻阳离子之间存在范德华间隙。RP型钙钛矿内,BA基和PEA基2D钙钛矿相邻层间的I…I键长分别为8 ?和10 ?[43]。这种结构给2D钙钛矿骨架带来了不稳定因素,其在外界强烈应力作用下可能会发生退化。与RP型钙钛矿不同,DJ型2D钙钛矿近日来被广泛报道[43～49]。DJ型钙钛矿结构与CsBa2Ta3O10相似,其化学计量式为MAn-1BnX3n+1,包括一个二胺有机基团M2+。M2+同时连接上下两个无机层,使得范德华间隙被消除。当M2+为3-AMP及4-AMP时,其I…I键长分别缩小至4 ?与 4.2 ?[43]。较小的I…I键长意味着结构更加稳定。因此,DJ型钙钛矿具有稳固的构型,层与层之间得以完美的零位移叠加在一起。DJ型钙钛矿领域的这些进展表明,其作为一种半导体吸光层应用于制备高效且长期稳定的钙钛矿太阳能电池具有惊人的潜力[50]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Two-dimensional perovskite capping layer for stable and efficient tin-lead perovskite solar cells[J]. Jin Yuan,Yuanzhi Jiang,Tingwei He,Guodong Shi,Zixiong Fan,Mingjian Yuan. Science China（Chemistry）. 2019(05)
本文编号：3016224
【文章来源】：化学进展. 2020,32(07)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
钙钛矿太阳能电池原理及常用电荷传输材料能带信息[6～9]
2D钙钛矿的形成是通过使用大体积的有机阳离子,将3D钙钛矿沿<100>,<110>和<111>晶面进行切割,从而形成三种不同的结构的2D钙钛矿,如图2所示[25,26]。2D钙钛矿的组成可根据层数和晶面取向变化而改变。与3D钙钛矿不同,2D钙钛矿中的大体积有机阳离子可在钙钛矿降解的最初阶段为表面水分子的吸附提供空间位阻。[27]这使钙钛矿吸光层对水汽具有良好的稳定性[28]。在高温条件下,热应力会引起3D钙钛矿离子的迁移,从而导致其降解[29,30]。而在2D钙钛矿中,长链胺基的引入可适度的增加其对温度的耐受性。大体积有机胺离子可以增加离子迁移势垒,这有助于抑制挥发性离子从钙钛矿晶体中逸出。因此,2D钙钛矿材料能够获得比3D钙钛矿稍好的热稳定性,但是这种对温度的耐受性不是无限制的,通常仅能维持10 d左右[29,31～33]。沿<100>晶面切割的2D钙钛矿,由于对许多不同的有机和无机成分具有较高的耐受性,因而具有较高的组成多样性和稳定性,是研究最广泛的一类[34]。通常将其分为两个子类,包括Ruddlesden-Popper(RP)相和Dion-Jacobson(DJ)相。
2D RP相钙钛矿是目前报道最多的一类有机无机杂化2D钙钛矿材料,其晶体结构与无机化合物RP型层状钙钛矿材料Sr3Ti2O7和K2NiF4相似,结构式为R2An-1BnX3n+1,如图3所示。A、B和X与3D钙钛矿中的含义相同,R是一种体积较大的有机阳离子基团,充当层间间隔,通常为脂肪族或芳香族烷基胺。文献报道最多的R基团有正丁胺(BA=C4H9NH2)[29,35～37]和苯乙胺PEA[16,17,38],此外,还有环丙胺(CA=C3H5NH2)[39]、5-氨基戊酸(5-AVA=C5H11NO2)[40]、聚乙烯亚胺(PEI)[41]、2-噻吩甲胺(ThMA=C5H7NS)[42]等。它们由BA+、PEA+等单胺阳离子与一侧的钙钛矿层相互作用,层与层之间为较弱的范德华作用,连接相邻阳离子之间存在范德华间隙。RP型钙钛矿内,BA基和PEA基2D钙钛矿相邻层间的I…I键长分别为8 ?和10 ?[43]。这种结构给2D钙钛矿骨架带来了不稳定因素,其在外界强烈应力作用下可能会发生退化。与RP型钙钛矿不同,DJ型2D钙钛矿近日来被广泛报道[43～49]。DJ型钙钛矿结构与CsBa2Ta3O10相似,其化学计量式为MAn-1BnX3n+1,包括一个二胺有机基团M2+。M2+同时连接上下两个无机层,使得范德华间隙被消除。当M2+为3-AMP及4-AMP时,其I…I键长分别缩小至4 ?与 4.2 ?[43]。较小的I…I键长意味着结构更加稳定。因此,DJ型钙钛矿具有稳固的构型,层与层之间得以完美的零位移叠加在一起。DJ型钙钛矿领域的这些进展表明,其作为一种半导体吸光层应用于制备高效且长期稳定的钙钛矿太阳能电池具有惊人的潜力[50]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Two-dimensional perovskite capping layer for stable and efficient tin-lead perovskite solar cells[J]. Jin Yuan,Yuanzhi Jiang,Tingwei He,Guodong Shi,Zixiong Fan,Mingjian Yuan. Science China（Chemistry）. 2019(05)
本文编号：3016224
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3016224.html
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