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今日Nature光子學：層間相互作用調控構建高效穩定層狀鈣鈦礦太陽能電池

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2020年1月14日 -
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與傳統的三維（3D）鹵化物鈣鈦礦太陽能電池材料相比，二維Ruddlesden–Popper（2DRP）層狀鈣鈦礦因其提高的耐濕性、優異光穩定性和熱穩定性、超低的自摻雜行為和顯著降低的離子遷移效應而成為鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的研究熱點。 
2DRP層狀鈣鈦礦穩定性來源於表面有機胺分子的保護作用、低維下鈣鈦礦容忍因子的有效調控以及由有機胺分子間弱的范德華力和氫鍵作用主導的層間相互作用。 但氫鍵和范德華力作用力較弱，層狀鈣鈦礦骨架穩定性提升受限，同時，弱相互作用限制了2DRP層狀鈣鈦礦的自組裝以及跨層間的電荷傳輸，從而影響鈣鈦礦活性層的薄膜質量及光生載流子的分離與傳輸特性。 對層間相互作用的調控研究有望增強2DRP鈣鈦礦薄膜的穩定性，同時提升2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。 
今天，西北工業大學柔性電子研究院黃維院士、南京工業大學先進材料研究院陳永華教授和吉林大學吉林大學集成光電子國家重點實驗室&材料科學與工程學院張立軍教授，在Nature Photonics發表題為「Efficient and stable Ruddlesden–Popper perovskite solar cell with tailored
interlayer molecular interaction」
的研究論文，實驗研究和理論模擬相結合，創新性地引入一種含S原子的有機胺，通過S元素之間的相互作用實現層間相互作用有效調控，探究了其對2DRP層狀鈣鈦礦薄膜結晶動力學、穩定性、以及電荷傳輸特性的影響規律，構建了高效穩定的2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。 合作團隊的任慧（南京工業大學，碩士研究生）、虞士棟（吉林大學，本科生）和晁凌鋒（南京工業大學，碩士研究生）為論文的共同第一作者。 
引入一種含S原子有機胺，通過S元素之間的相互作用實現二維層狀鈣鈦礦的層間相互作用有效調控該論文的主要創新之處：
使用了一種新型的雜原子有機胺分子2–(硫代甲基)乙胺（MTEA）構建層狀鈣鈦礦，通過鈣鈦礦層間MTEA分子之間S–S的相互作用，進一步穩定了層狀鈣鈦礦骨架，製備了穩定性顯著提升的鈣鈦礦薄膜，並且可以有效的增強層間電荷傳輸。 
原子尺度的第一性原理材料模擬表明：與基於丁胺（BA）的2DRP鈣鈦礦相比，基於MTEA的2DRP鈣鈦礦層間結合能有很大提升，來源於相鄰兩層MTEA有機分子通過S–S相互作用增強的層間相互作用。 電子能帶結構計算結果顯示在價帶頂附近出現S相關電子態，層間區域呈現顯著的電子云交疊，有利於層間光生載流子傳輸。 
相對於基於丁胺（BA）的2DRP鈣鈦礦，基於MTEA的2DRP鈣鈦礦（n = 5）薄膜表現出較強的面外優先晶體生長。 從而製備出了效率高達18.06％（認證效率17.6）的高性能2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。 同時，增強的層間分子相互作用大大改善了2DRP鈣鈦礦薄膜的濕、熱穩定性和器件穩定性，器件在最大功率輸出點持續標準太陽光下光照1000小時，效率衰減不到15%。 
該研究首次報導了通過層間相互作用調控構建高效穩定的2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。 由於S-S相互作用引起的層間相互作用，強烈面外優先生長的2DRP層狀鈣鈦礦薄膜可實現低的缺陷態密度和有效的層間電荷傳輸，從而提升了太陽能電池的光電轉換效率。 此外，增強的層間分子相互作用，使得2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池的穩定性顯著提高。 通過選擇有機胺分子製備2DRP層狀鈣鈦礦，實現層間相互作用調控為構建高效且穩定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池提供了一個新思路。 本工作得到了科技部納米科技重點專項鈣鈦礦太陽電池的基礎研究、國家自然科學基金委、中組部「千人計劃」青年項目、江蘇省特聘教授等基金的資助。 
作者簡介
黃維，中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太材料科學院院士、東協工程與技術科學院外籍院士、巴基斯坦科學院外籍院士。 兩次獲得國家自然科學獎二等獎、三次獲得高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）自然科學獎一等獎，以及何梁何利基金「科學與技術進步獎」等。 以第一或通訊作者身份在Nature、Science等國際主流學術期刊發表研究論文760餘篇，h因子為120，同行引用逾73000餘次，獲授權美國、新加坡和中國等國發明專利360餘項，出版了《有機電子學》《生物光電子學》《有機薄膜電晶體材料器件和應用》《OLED顯示技術》等學術專著。 
陳永華，南京工業大學先進材料研究院，教授、博士生導師。 先後入選國家海外高層次青年人才引進計劃（2017）、江蘇省特聘教授（2016）、江蘇省六大人才高峰計劃（2018）。 近年來，在柔性有機及鈣鈦礦光電材料與器件領域發表論文80餘篇，他引3000餘次，h因子30。 擁有授權中國專利8項、美國專利1項，英文專著1部。 主持多項國家省部級科研項目。 
張立軍，吉林大學教授，先後入選國家海外高層次青年人才引進計劃（2014）和基金委優青（2017），獲中國材料研究學會「計算材料學青年獎」（2018）、吉林省青年科技獎—特等獎（2019）。 長期開展半導體光電材料能帶結構調控及新材料設計研究。 自2014年回國以來，作為第一/通訊作者在Nat. Rev. Mater. (1)、Nat. Photonics (1)、Nat. Commun.
(5)等期刊發表論文50餘篇。 論文共被引用近5200次，H因子值38。 擔任科技部重點研發計劃課題負責人，《Nano Research》、《半導體學報》、《中國光學》期刊編委，Nature等期刊審稿人。 
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與傳統的三維（3D）鹵化物鈣鈦礦太陽能電池材料相比，二維Ruddlesden–Popper（2DRP）層狀鈣鈦礦因其提高的耐濕性、優異光穩定性和熱穩定性、超低的自摻雜行為和顯著降低的離子遷移效應而成為鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的研究熱點。

2DRP層狀鈣鈦礦穩定性來源於表面有機胺分子的保護作用、低維下鈣鈦礦容忍因子的有效調控以及由有機胺分子間弱的范德華力和氫鍵作用主導的層間相互作用。但氫鍵和范德華力作用力較弱，層狀鈣鈦礦骨架穩定性提升受限，同時，弱相互作用限制了2DRP層狀鈣鈦礦的自組裝以及跨層間的電荷傳輸，從而影響鈣鈦礦活性層的薄膜質量及光生載流子的分離與傳輸特性。對層間相互作用的調控研究有望增強2DRP鈣鈦礦薄膜的穩定性，同時提升2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。

今天，西北工業大學柔性電子研究院黃維院士、南京工業大學先進材料研究院陳永華教授和吉林大學吉林大學集成光電子國家重點實驗室&材料科學與工程學院張立軍教授，在Nature Photonics發表題為「Efficient and stable Ruddlesden–Popper perovskite solar cell with tailored

interlayer molecular interaction」

的研究論文，實驗研究和理論模擬相結合，創新性地引入一種含S原子的有機胺，通過S元素之間的相互作用實現層間相互作用有效調控，探究了其對2DRP層狀鈣鈦礦薄膜結晶動力學、穩定性、以及電荷傳輸特性的影響規律，構建了高效穩定的2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。合作團隊的任慧（南京工業大學，碩士研究生）、虞士棟（吉林大學，本科生）和晁凌鋒（南京工業大學，碩士研究生）為論文的共同第一作者。

引入一種含S原子有機胺，通過S元素之間的相互作用實現二維層狀鈣鈦礦的層間相互作用有效調控該論文的主要創新之處：

使用了一種新型的雜原子有機胺分子2–(硫代甲基)乙胺（MTEA）構建層狀鈣鈦礦，通過鈣鈦礦層間MTEA分子之間S–S的相互作用，進一步穩定了層狀鈣鈦礦骨架，製備了穩定性顯著提升的鈣鈦礦薄膜，並且可以有效的增強層間電荷傳輸。

原子尺度的第一性原理材料模擬表明：與基於丁胺（BA）的2DRP鈣鈦礦相比，基於MTEA的2DRP鈣鈦礦層間結合能有很大提升，來源於相鄰兩層MTEA有機分子通過S–S相互作用增強的層間相互作用。電子能帶結構計算結果顯示在價帶頂附近出現S相關電子態，層間區域呈現顯著的電子云交疊，有利於層間光生載流子傳輸。

相對於基於丁胺（BA）的2DRP鈣鈦礦，基於MTEA的2DRP鈣鈦礦（n = 5）薄膜表現出較強的面外優先晶體生長。從而製備出了效率高達18.06％（認證效率17.6）的高性能2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。同時，增強的層間分子相互作用大大改善了2DRP鈣鈦礦薄膜的濕、熱穩定性和器件穩定性，器件在最大功率輸出點持續標準太陽光下光照1000小時，效率衰減不到15%。

該研究首次報導了通過層間相互作用調控構建高效穩定的2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池。由於S-S相互作用引起的層間相互作用，強烈面外優先生長的2DRP層狀鈣鈦礦薄膜可實現低的缺陷態密度和有效的層間電荷傳輸，從而提升了太陽能電池的光電轉換效率。此外，增強的層間分子相互作用，使得2DRP層狀鈣鈦礦太陽能電池的穩定性顯著提高。通過選擇有機胺分子製備2DRP層狀鈣鈦礦，實現層間相互作用調控為構建高效且穩定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池提供了一個新思路。本工作得到了科技部納米科技重點專項鈣鈦礦太陽電池的基礎研究、國家自然科學基金委、中組部「千人計劃」青年項目、江蘇省特聘教授等基金的資助。

作者簡介

黃維，中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太材料科學院院士、東協工程與技術科學院外籍院士、巴基斯坦科學院外籍院士。兩次獲得國家自然科學獎二等獎、三次獲得高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）自然科學獎一等獎，以及何梁何利基金「科學與技術進步獎」等。以第一或通訊作者身份在Nature、Science等國際主流學術期刊發表研究論文760餘篇，h因子為120，同行引用逾73000餘次，獲授權美國、新加坡和中國等國發明專利360餘項，出版了《有機電子學》《生物光電子學》《有機薄膜電晶體材料器件和應用》《OLED顯示技術》等學術專著。

陳永華，南京工業大學先進材料研究院，教授、博士生導師。先後入選國家海外高層次青年人才引進計劃（2017）、江蘇省特聘教授（2016）、江蘇省六大人才高峰計劃（2018）。近年來，在柔性有機及鈣鈦礦光電材料與器件領域發表論文80餘篇，他引3000餘次，h因子30。擁有授權中國專利8項、美國專利1項，英文專著1部。主持多項國家省部級科研項目。

張立軍，吉林大學教授，先後入選國家海外高層次青年人才引進計劃（2014）和基金委優青（2017），獲中國材料研究學會「計算材料學青年獎」（2018）、吉林省青年科技獎—特等獎（2019）。長期開展半導體光電材料能帶結構調控及新材料設計研究。自2014年回國以來，作為第一/通訊作者在Nat. Rev. Mater. (1)、Nat. Photonics (1)、Nat. Commun.

(5)等期刊發表論文50餘篇。論文共被引用近5200次，H因子值38。擔任科技部重點研發計劃課題負責人，《Nano Research》、《半導體學報》、《中國光學》期刊編委，Nature等期刊審稿人。

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