在准二维钙钛矿材料中进行的量子阱工程实现了光伏发电效率与稳定性的协同提升

《Journal of Energy Chemistry》：Quantum well engineering in quasi-2D perovskites unlocks efficiency-stability synergy for photovoltaics

准二维钙钛矿通过优化量子阱（QW）分布实现效率与稳定性协同提升，使用CDMA作为结晶导向层，形成高n相均匀分布，降低载流子传输势垒和缺陷密度，效率达19.02%，未封装器件5000小时保持92%初始效率。

　　本研究聚焦于准二维钙钛矿太阳能电池（PSCs）的结构优化，探索如何通过调控量子阱（QW）的分布来提升其光电性能与环境稳定性。钙钛矿材料因其优异的光吸收能力和可调的带隙结构，在太阳能电池领域受到了广泛关注。然而，尽管其光电转换效率已取得显著突破，但材料的稳定性问题仍然是制约其商业化应用的关键挑战之一。准二维钙钛矿由于其独特的层状结构，相较于传统的三维钙钛矿，表现出更优越的环境稳定性，这使其成为研究热点。然而，其内部的相分离现象以及非理想QW分布却限制了其性能的进一步提升。

当前，大多数研究认为，为了提高准二维钙钛矿太阳能电池的性能，应该最大化三维钙钛矿相的比例。然而，本研究提出了一种全新的思路：通过策略性地将QW分布集中在高n相中，同时避免出现不理想的梯度结构，可以实现前所未有的效率与稳定性的协同优化。这一发现为钙钛矿太阳能电池的设计提供了新的方向，也揭示了QW分布调控在材料性能提升中的重要性。

本研究采用了一种名为1,4-环己烷二甲胺（CDMA）的有机分子作为晶化导向剂，成功制备了具有特定QW分布的准二维钙钛矿薄膜。实验结果显示，基于CDMA的薄膜表现出较窄的QW宽度分布和空间上均匀的排列，而基于环己烷甲胺（CMA）的薄膜则呈现出较宽的QW分布和反梯度排列。这种差异源于两种有机分子在晶化过程中的行为不同，进而影响了钙钛矿薄膜的微观结构和宏观性能。通过对比这两种薄膜的特性，研究人员发现，CDMA基薄膜在结构和光电性能方面均优于CMA基薄膜，尤其是在提升载流子传输效率和减少缺陷密度方面表现突出。

在结构层面，CDMA基钙钛矿薄膜中的高n相具有最小的n值分散性，这意味着它们在垂直方向上的分布更加均匀。这种均匀的QW分布有助于建立一个平滑的能量景观，从而显著降低不同相之间的电荷转移势垒。在传统的准二维钙钛矿中，由于QW分布的不均匀性，不同相之间的能量差异较大，这会阻碍电荷的有效传输，并导致电压损失。通过集中QW分布于高n相，研究人员成功地优化了载流子的传输路径，使电荷能够更高效地从吸收层转移到电荷传输层。

在光学与电学特性方面，CDMA基钙钛矿薄膜的能级排列更加平滑，这有助于提高载流子的迁移率并减少其在传输过程中的复合损失。此外，CDMA基薄膜的晶格匹配性也得到了显著改善。相邻的高n相之间具有较高的晶格匹配度，这有效缓解了微应变的积累，从而降低了缺陷的生成概率。微应变是导致载流子非辐射复合的重要因素之一，而减少微应变能够显著提高钙钛矿材料的稳定性。实验结果表明，CDMA基薄膜的微应变水平远低于CMA基薄膜，这可能是其在环境稳定性方面表现优异的重要原因之一。

在电荷动力学方面，CDMA基钙钛矿薄膜通过战略性地增强高n相的比例，实现了双重优化。一方面，它有效地排除了吸湿性强的三维钙钛矿相，从而避免了因湿度引起的性能衰减；另一方面，它也去除了限制载流子迁移的低n相，这有助于提高电荷的提取效率和传输速率。这种优化不仅提升了太阳能电池的光电转换效率，还增强了其在实际应用环境中的耐久性。实验结果显示，基于CDMA的太阳能电池在未封装的情况下，经过5000小时的空气暴露后，仍能保持初始光电转换效率的92%。这一稳定性表现远超目前大多数准二维钙钛矿太阳能电池的水平。

此外，研究还发现，QW分布的调控对钙钛矿薄膜的光电性能具有深远影响。不同n值的钙钛矿相具有不同的光学带隙，这会导致载流子在不同相之间的传输路径复杂化，进而影响整体的光电性能。通过集中QW分布于高n相，研究人员不仅减少了不同相之间的能级差异，还优化了载流子的提取路径，使电荷能够更高效地从吸收层转移到电荷传输层。这种优化对于提升太阳能电池的性能至关重要，因为它直接影响了电流密度和电压的稳定性。

本研究的创新点在于，它不仅验证了QW分布调控对准二维钙钛矿太阳能电池性能的显著影响，还提出了一种新的设计策略。通过选择合适的有机分子作为晶化导向剂，研究人员成功地实现了对QW分布的精确控制。这种控制不仅提升了太阳能电池的光电转换效率，还增强了其在复杂环境下的稳定性。研究团队在实验中采用了一种新型的有机分子——CDMA，并将其与传统分子CMA进行对比，发现CDMA在调控QW分布方面具有更显著的优势。这为未来钙钛矿太阳能电池的材料设计提供了新的思路，也展示了有机分子在调控钙钛矿结构中的关键作用。

值得注意的是，本研究不仅关注了钙钛矿太阳能电池的性能优化，还深入探讨了其在实际应用中的稳定性问题。在当前的光伏技术中，封装是提高钙钛矿材料稳定性的重要手段，但这种方法通常会增加制造成本和复杂度。因此，研究团队希望通过调控材料的内部结构，实现无需封装即可获得优异稳定性的目标。实验结果显示，CDMA基太阳能电池在未封装的情况下仍能表现出出色的稳定性，这为未来的低成本、高性能钙钛矿太阳能电池的开发提供了新的可能性。

此外，本研究还揭示了QW分布调控在钙钛矿材料中的潜在应用。除了太阳能电池，这种调控策略可能也适用于其他基于QW的光电器件，如发光二极管（LEDs）和光电探测器等。通过优化QW分布，可以进一步提升这些器件的性能，同时降低其对环境因素的敏感度。这表明，QW分布调控不仅是一个重要的研究方向，还可能成为未来钙钛矿材料应用的一个关键技术。

为了实现上述目标，研究团队采用了一系列先进的表征技术，包括X射线衍射（XRD）、广角X射线衍射（GIXRD）以及扫描电子显微镜（SEM）等，以全面分析钙钛矿薄膜的结构和性能。这些技术帮助研究人员准确地识别了不同n值相的分布情况，并评估了其对载流子传输的影响。同时，研究团队还进行了电化学测试和光电性能测量，以验证QW分布调控对太阳能电池性能的提升效果。

本研究的实验方法主要包括溶液法制备钙钛矿薄膜、有机分子的晶化导向调控以及器件的组装与测试。其中，CDMA和CMA作为两种不同的有机分子，分别用于调控准二维钙钛矿薄膜的QW分布。研究人员通过调整溶剂蒸发速率、温度和浓度等参数，成功地实现了对QW分布的精确控制。这种方法不仅适用于准二维钙钛矿太阳能电池，也可能推广到其他类型的钙钛矿器件中。

实验结果表明，基于CDMA的钙钛矿太阳能电池在未封装的情况下，能够在高湿度环境下保持长期的性能稳定性。这种稳定性是由于高n相的集中分布有效减少了材料的吸湿性，并降低了缺陷密度。此外，CDMA基薄膜的能级排列更加均匀，这有助于减少电荷在传输过程中的复合损失，从而提高电流密度和电压稳定性。这些优势使得CDMA基太阳能电池在未封装的情况下仍能表现出较高的光电转换效率。

本研究的发现为钙钛矿太阳能电池的结构优化提供了新的视角。传统的研究主要关注如何最大化三维钙钛矿相的比例，而本研究则强调通过调控QW分布来实现效率与稳定性的协同优化。这一策略不仅适用于准二维钙钛矿太阳能电池，还可能为其他类型的钙钛矿器件提供借鉴。未来的研究可以进一步探索不同有机分子对QW分布的影响，以及如何通过优化材料结构来提升其在不同环境条件下的性能表现。

总的来说，本研究通过调控准二维钙钛矿薄膜的QW分布，成功实现了对材料结构和性能的优化。CDMA基薄膜表现出优异的光电性能和环境稳定性，这为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了新的可能性。此外，研究还揭示了QW分布调控在钙钛矿材料中的广泛适用性，为未来钙钛矿器件的设计和开发提供了重要的理论支持和实验依据。这一成果不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的发展，也为其他基于钙钛矿的光电器件带来了新的研究方向。