近日，国家纳米科学中心周惠琼课题组在混合溶剂影响二维钙钛矿成膜过程及器件性能方面取得新进展。相关研究成果以Solvent Effect on Film Formation and Trap States of Two-Dimensional Dion–Jacobson Perovskite为题在线发表于Nano Letters (Nano Lett. 2022, DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02533)。
近年来，准二维钙钛矿太阳能电池由于其独特的光电性质以及优异的器件稳定性受到了广泛的关注。其中Dion-Jacobson（DJ）型钙钛矿由于具有更短的层间距且间隔阳离子之间不依赖分子间作用力，在保持结构稳定的同时还可以削弱介电限域效应的影响，因此关于准二维DJ型钙钛矿太阳能电池的研究热度也逐渐高涨。但是由于DJ型钙钛矿的形成能高，成相难度较大，通常需要额外的辅助来促使其面外取向结晶并在多晶薄膜中实现有序梯度相分布，从而促进载流子的传输与收集，避免非辐射复合限制器件的性能。
在本工作中，研究团队通过混合溶剂的方法直接调控DJ型钙钛矿的结晶过程。在常用溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）的基础上，将醋酸甲胺（MAAc）引入到前驱体中形成三元混合溶剂。通过搭建原位荧光光谱（PL）和原位紫外-可见吸收光谱（UV-vis）测试系统，发现在三元混合溶剂的成膜过程中，钙钛矿的成核过程得以延缓，从而抑制了前驱体中的均相成核，有利于钙钛矿的连续结晶生长。同时，由于不同n值相成核速率的差异，通过三元混合溶剂制备的薄膜拥有更好的梯度相分布，有利于载流子在不同n值相之间的转移。得益于薄膜的面外取向性增强以及梯度相分布优化，在通过三元混合溶剂制备的戊二胺基的准二维DJ型钙钛矿太阳能电池中，缺陷态能级到带边的位置得以浅能级化（从0.276-0.510 eV到0.133-0.367 eV），从而使得非辐射复合能量损失得以抑制（从0.151 eV到0.126 eV），最终实现了该体系的最高开路电压（VOC）1.25 V。此外，器件热稳定性也得以大幅提升，在85°C连续加热3000小时后仍可以保持其初始效率的80%。本工作通过系统地研究混合溶剂诱导的DJ型钙钛矿的成膜过程及其对器件性能的影响，提供了一种简单有效的方法来改善DJ型钙钛矿薄膜的结晶质量并提高其器件性能。
国家纳米科学中心硕士研究生黄高胜和博士后陈洁仪为文章共同第一作者，周惠琼研究员为本文的通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金委、中国科学院设备研制项目以及中国科学院战略性先导专项的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02533
图. 混合溶剂对于DJ型二维钙钛矿成膜过程和器件性能的影响
