近日，中科院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員周惠瓊等在Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池的材料設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性研究方面取得進(jìn)展。該研究合成設(shè)計(jì)了系列具有層間輕微位移的Dion-Jacobson型鈣鈦礦材料，并實(shí)現(xiàn)了該材料在準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池刮涂工藝上的最高轉(zhuǎn)換效率19.11%，以及超過6000小時(shí)最大功率點(diǎn)下的運(yùn)行穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以Ultrastable and efficient slight-interlayer-displacement 2D Dion-Jacobson perovskite solar cells 為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

效率、穩(wěn)定性和可拓展的大面積器件制備技術(shù)是鈣鈦礦太陽能電池實(shí)際應(yīng)用的三個(gè)關(guān)鍵。相比于三維鈣鈦礦太陽能電池，二維鈣鈦礦中的Ruddlesden-Popper型和Dion-Jacobson型太陽能電池具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和器件性能。在效率上，這兩種類型的鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率普遍低于19%。該團(tuán)隊(duì)利用锍陽離子輔助中間相工程調(diào)控Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦太陽能電池性，實(shí)現(xiàn)了19.08%的光電轉(zhuǎn)化效率。而關(guān)于提升Dion-Jacobson型太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率性能的研究相對(duì)不足。在穩(wěn)定性上，理論上Dion-Jacobson型較Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦具有更好的穩(wěn)定性，但實(shí)際報(bào)道顯示目前發(fā)現(xiàn)的Dion-Jacobson型鈣鈦礦在大氣環(huán)境中的穩(wěn)定性相對(duì)較差。在大面積工藝上，Dion-Jacobson型鈣鈦礦缺乏研究，而Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦在刮涂工藝上已實(shí)現(xiàn)約16%的轉(zhuǎn)換效率。因此，開發(fā)性能優(yōu)異穩(wěn)定的Dion-Jacobson型鈣鈦礦材料，并實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定及可拓展大面積的器件工藝具有挑戰(zhàn)性。

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鑒于此，該研究利用柔性的1,4-環(huán)己烷二甲銨合成設(shè)計(jì)了一系列新型的輕微層間位移型Dion-Jacobson鈣鈦礦材料。研究發(fā)現(xiàn)，這類材料具有優(yōu)異的濕度、熱穩(wěn)定性及光照穩(wěn)定性。進(jìn)一步，研究采用刮涂工藝制備了系列Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池，并在n=5的鈣鈦礦組分中獲得最高轉(zhuǎn)換效率19.11%。這一效率是目前基于準(zhǔn)二維鈣鈦礦電池刮涂工藝最高的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，未封裝電池在~90%相對(duì)濕度老化條件下4000小時(shí)后可保持初始效率的92%。此外，這些電池表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性和運(yùn)行穩(wěn)定性，在經(jīng)過超過5000小時(shí)的熱處理后，或在100 mW cm^-2連續(xù)光照下在45°C下以最大功率點(diǎn)運(yùn)行超過6000小時(shí)后，效率損失可忽略不計(jì)。上述成果為高效穩(wěn)定的準(zhǔn)二維鈣鈦礦電池制備及產(chǎn)業(yè)化提供了借鑒。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、湖南省自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50018-4#Sec8