化學所鄭大合作制備高效高穩定的二維鈣鈦礦光伏器件

　　作為新一代薄膜太陽能電池的代表性材料，鈣鈦礦的毒性及對水氧的敏感性嚴重阻礙了其商業化進程。近年來，二維（2D）Sn基無鉛鈣鈦礦因其出色的穩定性和低毒性，成為3D鈣鈦礦的替代材料。但由于二維材料結構的特殊性，電子或空穴受量子尺寸效應限制，其壽命和遷移率遠低于3D結構，因而其器件光電轉化效率明顯低于3D鈣鈦礦。這種穩定性與高效率之間的矛盾成為實際應用的一個難題。

　　最近，在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學研究所綠色印刷重點實驗室科研人員與鄭州大學合作，成功地將疏水性有機分子1,4-丁二胺引入到Sn基無鉛鈣鈦礦中，合成了一系列具有Dion-Jacobson相的準二維鈣鈦礦。如下圖所示，具有典型準二維結構的(BEA)FA2Sn3I10鈣鈦礦結構對稱性較好，光吸收窗口與三維相比并沒有明顯減少，并具有合適的禁帶寬度。第一性原理計算表明，(BEA)FA2Sn3I10具有大的形成能（106 j/mol），結構穩定。另外，(BEA)FA2Sn3I10薄膜致密性良好，載流子限域作用并不明顯，結合一維擴散方程，計算出的電子擴散長度為450 nm，空穴擴散長度為360 nm，載流子遷移率為14.4 cm2 V-1 S-1。利用該(BEA)FA2Sn3I10薄膜制備出的太陽能電池，光電轉換效率高達6.34%，是目前報道的Dion-Jacobson相的準二維鈣鈦礦太陽能電池的最高值。更為重要的是，在自然條件下，未封裝的器件經過1000小時的老化，效率僅僅衰減8%。另外，在光照穩定性測試中發現，經過200小時，器件效率仍有90%以上。通過這種新型低維無鉛鈣鈦礦結構設計，同時實現了高效率和穩定性的鈣鈦礦太陽能電池，對推動鈣鈦礦太陽能電池的實際應用具有重要意義。

　　該研究成果近日發表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，通訊作者是化學所研究員宋延林和鄭州大學博士張懿強，第一作者是博士生李鵬偉。

單晶(BEA)FA2Sn3I10的合成，晶體結構及第一性原理計算