電子科大郝鋒small：2D高效DJ錫基鈣鈦礦太陽能電池，電荷分離與提取性能大提升！

發(fā)表時間：2025-06-20 13:48

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主要內(nèi)容

電子科技大學材料與能源學院郝鋒教授帶領其團隊在二維錫基鈣鈦礦太陽能電池領域取得重要研究進展。二維狄翁 - 雅各布森（Dion–Jacobson，簡稱 DJ）錫鹵化物鈣鈦礦因其結構穩(wěn)定性以及可設計多功能間隔陽離子的特性，被視為**潛力的光伏材料。然而，絕緣的有機間隔陽離子會引發(fā)介電限制效應和量子阱結構，致使這類二維鈣鈦礦通常表現(xiàn)出較差的電荷傳輸性能，進而成為高效太陽能電池制備的一大阻礙。

在此背景下，郝鋒教授團隊創(chuàng)新性地引入多環(huán)芳香胺 1,5 - 萘二胺（15 - NDA）作為間隔陽離子，相較于傳統(tǒng)使用的對苯二胺，這一改進帶來了顯著效果。理論模擬與實驗表征結果顯示，具有擴展π共軛長度的 15 - NDA 具備更大的空間位阻，能夠有效抑制小 n 相的形成，進而削弱介電限制效應和量子阱限制，有力促進了激子解離。此外，15 - NDA 較強的π–π共軛作用增強了分子間相互作用，有助于制備出更加均勻致密的鈣鈦礦薄膜。同時，該團隊還發(fā)現(xiàn) 15 - NDA 能有效降低 Sn2? 和 I? 的氧化程度以及相應的缺陷態(tài)密度。

得益于上述改進，對應的器件展現(xiàn)出顯著提升的載流子擴散長度和快速的載流子提取能力。基于此，團隊成功制備的二維 DJ（15 - NDA）FA?Sn?I?? 太陽能電池實現(xiàn)了 7.33% 的光電轉換效率，這一性能創(chuàng)下了二維 DJ 錫基鈣鈦礦太陽能電池（TPSCs）的紀錄，并且在濕度和氮氣環(huán)境下均表現(xiàn)出改善的穩(wěn)定性。

從理論層面深入剖析，15 - NDA 不僅具有更窄的*高占據(jù)分子軌道（HOMO）-*低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能隙，可降低量子阱的束縛勢能；而且其介電常數(shù)更大，能夠減小介電失配，削弱激子結合能，有利于激子的有效解離。通過Fourier Transform Infrared Spectroscopy（簡稱FTIR）、氫核磁共振（1H NMR）、X 射線光電子能譜（XPS）和動態(tài)光散射（DLS）等一系列實驗表征發(fā)現(xiàn)，15 - NDA - Sn 體系中分子間相互作用更強，這有助于前驅體的聚集并增大晶核尺寸，從而獲得孔洞更少、粗糙度更低的鈣鈦礦薄膜，且進一步抑制了 Sn2? 和 I? 的氧化。更有趣的是，時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）證實，基于 15 - NDA - Sn 的器件在不同傳輸層中具有更長的載流子擴散長度和更快的電荷提取速度。

*終，15 - NDA - Sn 二維 DJ TPSCs 實現(xiàn)了 7.33% 的優(yōu)秀效率，這是目前報道的二維 DJ TPSCs 中的**性能。此外，15 - NDA 能夠抑制離子遷移并提高結構穩(wěn)定性，相應器件在空氣和氮氣環(huán)境中均表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。郝鋒教授團隊此次工作為通過有機間隔陽離子的結構設計來優(yōu)化器件性能提供了一種新策略，有力推動了高效且穩(wěn)定的二維 DJ TPSCs 的發(fā)展。

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