二维钙钛矿间隔阳离子研究取得新进展
近年来，有机-无机钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性快速提升，具有良好的应用前景。引入二维（2D）钙钛矿可以钝化三维（3D）钙钛矿表面缺陷，优化能级排列，抑制离子迁移，同时提高器件的效率和稳定性。但在2D钙钛矿内部，目前广泛使用的阳离子层如苯乙胺、丁胺等具有绝缘特性，会阻碍载流子传输，制约器件效率的进一步提升。因此，如何加强有机间隔阳离子之间的相互作用和电荷传导，是解决这一问题的关键。
近日，大连理工大学精细化工全国重点实验室于泽教授设计并合成了一种具有空穴传导功能的三苯胺类共轭铵盐，N,N-二苯胺基苯乙铵碘盐（DPA-PEAI），用于2D/3D甲脒基钙钛矿太阳能电池中。综合实验和计算分析表明，相邻层的DPA-PEAI配体之间通过堆叠的苯环建立了多重p-p堆积相互作用，增强了相邻层间隔阳离子之间的相互作用和二维钙钛矿内部的空穴转移过程，有效改善了二维钙钛矿内部纵向电荷输运。经DPA-PEAI优化的器件获得了25.7%的光电转换效率，并表现出良好的运行稳定性。
图1 (DPA-PEA)2PbI4二维钙钛矿的晶体结构
在(DPA-PEA)2PbI4二维钙钛矿晶体中，由于三苯胺基团特殊的螺旋桨式结构，p-p相互作用广泛存在于1-1¢，2-2¢，3-3¢和4-4¢之间标记为蓝色的苯环对，以及3-2¢之间标记为蓝色的苯环对。理论计算结果表明相邻层DPA-PEA+阳离子之间的结合能和空穴转移积分均大于PEA+阳离子对。
稳态发光光谱（PL），瞬态发光光谱（TRPL）和导电原子力显微镜（C-AFM）等均表明DPA-PEAI修饰的钙钛矿薄膜中存在高效的空穴提取和转移过程。DPA-PEAI修饰的薄膜具有更高的价带顶（VBM），与空穴传输层组成了II型异质结构，有利于空穴的提取与转移。
图2 基于DPA-PEAI的钙钛矿太阳能电池器件效率和稳定性测试结果
采用DPA-PEAI修饰的器件最终获得了25.7%的光电转换效率，是目前基于共轭铵盐配体的2D/3D钙钛矿太阳能电池的最高效率之一。DPA-PEAI修饰的器件在最大功率点追踪（MPPT）下，连续光照1000小时后保持了初始效率的90%，表现出良好的运行稳定性。
三苯胺结构的易修饰性，有望进一步提升阳离子配体之间的相互作用以及光电转换效率。同时，DPA-PEAI表现出的半导体性能使其在其它基于2D或2D/3D钙钛矿的光电器件中，例如准钙钛矿/叠层钙钛矿太阳能电池、发光二极管、光电探测器等有巨大的应用潜力。
上述研究成果以“Triphenylamine-Based Hole-Transporting Ligands for 2D/3D FAPbI3 Perovskite Solar Cells”为题发表在ACS Energy Letters上（https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c00471）。论文的第一作者为大连理工大学博士研究生曹怀满（香港城市大学联合培养）和吉林大学已毕业博士李天姝（目前为英国帝国理工学院博士后）。论文通讯作者为大连理工大学于泽教授、香港城市大学叶轩立教授和吉林大学张立军教授。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及教育部前沿科学中心的资金支持。