香港城大任廣禹small：揭秘硒吩基間隔層對DJ鈣鈦礦高效太陽能電池的作用

發表時間：2025-06-19 14:23

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二維狄恩 - 雅各布森（Dion - Jacobson，簡稱 DJ）鈣鈦礦材料因消除了有機間隔層間的范德華間隙，具備出色的環境與結構穩定性，在光伏領域潛力巨大。香港城市大學 Alex K.-Y. Jen（任廣禹）教授、付強教授與南開大學劉永勝教授帶領的聯合團隊，在該領域取得關鍵進展。

團隊成功開發出基于硒吩的二價陽離子間隔層材料——Selenophene dimethylammonium（SeDMA），并應用于制備高效穩定的 DJ 鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。借助原位掠入射廣角 X 射線散射（GIWAXS）和原位光致發光（PL）測量技術，發現相較于Thiophene dimethylammonium（ThDMA）的薄膜，SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦薄膜成核速率大幅提升。

這是由于牢固的硒 - 硒（Se···Se）和硒 - 鉛（Se···Pb）相互作用，加速了晶體垂直取向生長，進而提升了薄膜質量、增大了晶粒尺寸、提高了電荷載流子遷移率并降低了陷阱密度。

基于此，采用甲基銨（Methylammonium，MA）作為 A 位陽離子（標稱 n = 5）的優化型 SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦太陽能電池，光電轉換效率（PCE）達 17.85%。進一步采用甲脒/甲基銨（Formamidinium/Methylammonium，FA/MA）二元 A 位陽離子策略后，效率提升至 19.43%。與 ThDMA 基同類電池相比，SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦太陽能電池在熱、濕、光穩定性方面優勢顯著。

進一步研究表明，SeDMA 作為間隔層時，其分子間的硒─硒（Se─Se）相互作用增強了有機層與相鄰無機層間鈣鈦礦結構的穩定性。相較于 ThDMA 基甲基銨鉛（MA - Pb）鈣鈦礦，SeDMA 基甲基銨鉛（SeDMA - MA - Pb）鈣鈦礦（標稱 n = 5）載流子壽命更長、非輻射復合損失更低、電荷載流子遷移率更高。

上述成果表明，采用 MA 及 FA/MA 二元陽離子體系的優化型 DJ 鈣鈦礦太陽能電池，分別實現了 17.85% 和 19.43% 的*高 PCE，顯著提升了二維 DJ 鈣鈦礦太陽能電池性能。此外，SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦太陽能電池在耐熱、耐濕、耐光性能上表現優異。該研究發表于《Small》2025 年第 2504703 期，提出通過原子尺度設計新型間隔層定制 DJ 鈣鈦礦太陽能電池的實用策略，為高效穩定鈣鈦礦太陽能電池的研發提供了新方向。