北京同步輻射裝置助力甲脒基有機(jī)半導(dǎo)體配體調(diào)控二維鈣鈦礦太陽能電池研究取得新進(jìn)展

為了研究不同有機(jī)半導(dǎo)體配體對(duì)鈣鈦礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響，南開大學(xué)研究人員聯(lián)合中國科學(xué)院高能物理研究所陳雨副研究員依托北京同步輻射裝置1W1A-漫散射實(shí)驗(yàn)站，開展了掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）原位變溫測試，探究了TTFA-Pb和BTFA-Pb由溶膠-凝膠到鈣鈦礦的成核機(jī)理和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。發(fā)現(xiàn)TTFA有機(jī)配體通過在前驅(qū)體溶液中形成更大的團(tuán)簇，降低成核能壘，誘導(dǎo)晶體的成核和定向生長，從而大大提高薄膜質(zhì)量。得益于提升的薄膜形貌，降低的激子結(jié)合能和非輻射復(fù)合，(TTFA)2MAn?1PbnI3n+1?(n = 5)的光伏器件獲得了19.41%的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)，這是FA基有機(jī)配體的2D RP?鈣鈦礦太陽能電池的紀(jì)錄值。該工作為理解2D RP鈣鈦礦薄膜的成核和生長過程提供了重要依據(jù)，并突出了基于FA的半導(dǎo)體配體材料在高效2D?鈣鈦礦太陽能電池中的巨大潛力。

相關(guān)工作于10月27日以“Nucleation and Crystallization in 2D Ruddlesden-Popper Perovskites using Formamidinium-based Organic Semiconductor Spacers for Efficient Solar Cells”為題發(fā)表于國際頂級(jí)材料綜合期刊《Angewandte Chemie》上（DOI:?10.1002/anie.202314690）。第一作者為南開大學(xué)博士研究生王瑞和董西悅，通訊作者為南開大學(xué)劉永勝教授和中國科學(xué)院高能所陳雨副研究員。

相關(guān)背景：具有大塊有機(jī)配體的層狀二維（2D）鈣鈦礦與3D鈣鈦礦相比，表現(xiàn)出更好的內(nèi)在環(huán)境穩(wěn)定性。然而，由于無序的晶體取向和量子限域效應(yīng)，2D鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）仍低于3D PSCs。開發(fā)合適的大塊有機(jī)配體調(diào)節(jié)晶體取向，改善薄膜形貌和降低激子結(jié)合能（Eb）是獲得高效穩(wěn)定的2D PSCs的有效策略。

二維Ruddlesden-Popper?（RP）鈣鈦礦的化學(xué)式為(L)2(A)n-1BnX3n+1，其中n表示角共享[BX6]4-八面體層數(shù)。A、B和X分別表示一價(jià)有機(jī)陽離子、二價(jià)金屬陽離子和鹵素陰離子，L是大體積的有機(jī)配體。共軛有機(jī)半導(dǎo)體配體在二維鈣鈦礦中引起了廣泛的關(guān)注，而甲瞇（FA）作為A位陽離子在高性能三維鈣鈦礦太陽能電池中也得到了廣泛的應(yīng)用。然而，FA基有機(jī)配體在2D)RP鈣鈦礦中卻很少被研究。鑒于此，南開大學(xué)劉永勝課題組設(shè)計(jì)了兩種基于FA的有機(jī)間隔配體，分別含有稠環(huán)雙噻吩（TTFA）和非稠環(huán)雙噻吩單元 （BTFA），用于2D RP PSCs。

BTFA-Pb和TTFA-Pb薄膜的原位GIWAXS以及二維RP鈣鈦礦結(jié)晶過程的示意圖