第一作者：Jin-Wook Lee

通讯作者：Yang Yang

通讯单位：美国加州大学洛杉矶分校

研究亮点：

1. 二维钙钛矿稳定纯相的三维钙钛矿(FAPbI₃)结构。

2. 二维钙钛矿钝化晶界增强薄膜稳定性，并抑制离子迁移提高效率。

钙钛矿的组分工程是提高甲脒钙钛矿(FAPbI₃)相稳定性和改善水稳定性的有效手段，然而，这伴随着钙钛矿带隙的增加，无法避免会牺牲器件的部分光电流。

有鉴于此，UCLA杨阳课题组将少量二维钙钛矿(PEA₂PbI₄)掺入三维钙钛矿(FAPbI₃)前体溶液中，能够稳定纯相的FAPbI₃。

图1 钙钛矿层的XRD和吸光性质

结果显示，其光致发光寿命提高一个数量级，电池获得20.64%的效率。值得一提的是，电势损失最小且光电流密度超过24 mA‧cm^-2。

研究人员首先合成和表征FAPbI₃和掺杂有PEA₂PbI₄的FAPbI₃薄膜。结果发现PEA₂PbI₄不仅可以稳定FAPbI₃的黑色钙钛矿相，而且没有引入其他的杂相(二维钙钛矿相等)。

将得到的对照组和实验组进行光电性能的测试，可以从PL谱看出PEA₂PbI₄明显地延长FAPbI₃钙钛矿的荧光寿命。光电转换效率和量子产率的结果表明PEA₂PbI₄大幅提高电池性能。

图2 光致发光特性和光伏性能

研究人员通过薄膜的时间跟踪老化测试，直观地的看出2D钙钛矿大大增强电池的耐湿性。为了探究2D钙钛矿到底如何起作用的，高分辨的TEM图表明，2D钙钛矿就是分布在3D钙钛矿的晶界处，进而稳定3D结构。

图3 在晶界处的2D钙钛矿改善3D结构的水稳定性

有趣的发现是，电荷分离和光生电子的收集在2D钙钛矿的晶界处更加便利。晶界处的超薄2D钙钛矿区域可能在照射下受到向下的带弯曲，其中光生电子从晶粒内部转移。由于对空穴的高势垒，电荷复合将减少，这可能是2D钙钛矿的荧光寿命长和光伏性能好的起源。

图4 2D钙钛矿的能级分布图和局部导电性

同时，研究人员也调查电池的稳定性。采用封装的对照组和实验组电池进行曝光测试。在500 h后，对照组效率的只剩下初始值的52.3％，而实验组仍保持初始PCE的72.3％，表明添加2D 钙钛矿电池后稳定性明显增强。

图5 2D钙钛矿增强电池的稳定性

晶界处的2D钙钛矿和FAPbI₃相纯度均可以起到抑制离子迁移的作用，因为FAPbI₃非钙钛矿相可以产生缺陷位点，并充当离子迁移的额外途径。我们相信抑制的离子迁移有助于提高电池的工作稳定性。

图6 2D钙钛矿抑制离子迁移

总之，晶界处的2D钙钛矿可以稳定3D钙钛矿，为它撑起一把“保护伞”，以免受水分子的破坏。电池效率和稳定性得到大幅度增强。

参考文献：

Lee J W, Dai Z, Han T H, et al. 2D perovskite stabilized phase-pure formamidinium perovskite solar cells[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-05454-4

https://doi.org/10.1038/s41467-018-05454-4