在垂直取向的二维Dion-Jacobson分子铁电钙钛矿中，光伏性能得到了提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced photovoltaic performance in vertically oriented two-dimensional Dion-Jacobson molecular ferroelectric perovskites

二维有机无机杂化钙钛矿薄膜的晶体取向调控与铁电性能对光电器件的影响。通过DMF和DMSO溶剂体系制备3-AMPYPI薄膜，XRD和SEM分析表明溶剂选择调控了PbI2晶体生长方向：DMF导致水平生长（Jsc=0.25 mA/cm2），DMSO垂直生长（Jsc=15.1 mA/cm2）。DMSO体系薄膜因垂直晶格和铁电滞后效应（ΔVoc=0.18 V）显著提升光伏性能，同时4-AMPYPI未观察到类似效应。

　　近年来，二维（2D）有机-无机杂化钙钛矿因其结构可调性、卓越的环境稳定性和独特的光电特性而成为备受瞩目的研究领域。这类材料在太阳能电池、光电探测器等光电子器件中展现出巨大的应用潜力。然而，尽管它们的性能在某些方面优于传统的三维（3D）钙钛矿，其光电转换效率仍存在较大提升空间。因此，探索如何优化二维钙钛矿的结构和性能，是当前光电子材料研究的重要方向。

本研究聚焦于一种新型的二维分子铁电钙钛矿材料——3-(氨基甲基)吡啶??碘化铅（3-AMPYPI）和4-(氨基甲基)吡啶??碘化铅（4-AMPYPI），通过溶液沉积法制备了这两种材料的薄膜。研究通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析了其晶体取向和薄膜形貌，并进一步探讨了溶剂种类和前驱体浓度对这些特性的影响。实验结果表明，当使用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂时，3-AMPYPI薄膜表现出较低的光电流密度（约0.25 mA/cm2），这主要是由于铅碘（PbI?）在水平生长过程中导致光生载流子的传输受限。相反，当使用二甲基亚砜（DMSO）作为溶剂时，3-AMPYPI薄膜展现出优异的光电性能，其短路电流密度（Jsc）是水平生长薄膜的15.1倍，且显著高于4-AMPYPI的性能。此外，研究还发现，使用DMSO制备的3-AMPYPI薄膜中出现了显著的迟滞效应，这可能与可逆的铁电极化有关，而这一效应在4-AMPYPI薄膜中并未观察到。

这一发现揭示了晶体取向、薄膜形貌以及铁电特性在优化二维钙钛矿基光电器件中的关键作用。具体而言，二维钙钛矿的晶体取向直接影响其载流子的传输路径和效率。当二维平面与传输层垂直排列时，载流子的迁移路径更加顺畅，从而显著提升器件的光电性能。相比之下，当二维平面与传输层平行时，载流子的传输受到阻碍，导致光电性能下降。此外，铁电特性在二维钙钛矿中也扮演着重要角色，其可调的极化方向有助于增强载流子的分离和传输效率，从而提升光电转换效率。

本研究选择3-AMPYPI作为光吸收层，主要是基于其在室温下表现出可逆的铁电极化和较窄的带隙。这些特性使其成为一种理想的材料，能够有效促进载流子的分离和传输。通过调整溶剂种类，研究人员实现了对3-AMPYPI薄膜晶体取向的精确控制。实验结果表明，使用DMSO作为溶剂时，薄膜的二维平面垂直于基底，从而显著提升了器件的光电性能。而使用DMF作为溶剂时，薄膜的二维平面平行于基底，导致光电性能下降。

为了进一步研究这些材料的性能，研究人员首先制备了前驱体溶液。具体步骤是将1 mmol的3-氨基甲基吡啶加入0.5 mL的氢碘酸溶液中，随后在90 °C下加热10分钟，待反应完成后，将混合液转移至干净的培养皿中，在空气中蒸发至形成干的淡黄色粉末（即3-氨基甲基吡啶??碘化物）。接下来，将铅碘化物和3-氨基甲基吡啶??碘化物粉末按照化学计量比称重，并加入适量的DMF或DMSO作为溶剂，以制备不同溶剂体系下的前驱体溶液。这些溶液用于后续的薄膜制备和器件组装。

通过XRD分析，研究人员验证了所制备的3-AMPYPI薄膜的相纯度。当前驱体溶液浓度低于0.25 M时，薄膜的XRD图谱显示出较弱的衍射峰，并且主要沿着（002）、（004）和（006）晶面具有择优取向。然而，当浓度升高时，还检测到了（110）和（221）晶面的额外衍射峰，这表明薄膜的晶体结构在不同浓度下发生了变化。这可能与前驱体的结晶过程和溶剂的选择有关，进一步说明了溶剂种类对二维钙钛矿晶体取向和薄膜性能的重要影响。

SEM分析则揭示了薄膜的微观结构和形貌特征。结果表明，使用DMSO作为溶剂时，3-AMPYPI薄膜呈现出垂直生长的结构，而使用DMF作为溶剂时，薄膜则表现出水平生长的结构。这种结构差异直接影响了载流子的传输路径和效率。垂直生长的结构使得载流子能够更有效地在垂直方向迁移，从而提升了器件的光电性能。相比之下，水平生长的结构则限制了载流子的迁移，导致光电性能下降。

此外，研究还发现，3-AMPYPI薄膜在使用DMSO作为溶剂时表现出显著的迟滞效应。这一现象可能与材料的可逆铁电极化有关，即在光照条件下，薄膜的极化方向发生改变，导致电流密度随时间变化，从而形成迟滞效应。这种效应在4-AMPYPI薄膜中并未观察到，进一步说明了3-AMPYPI的铁电特性对其光电性能的重要影响。

本研究的发现为二维分子铁电钙钛矿基光电器件的开发提供了新的思路。通过精确控制晶体取向和溶剂种类，研究人员能够优化材料的光电性能，从而提升太阳能电池的效率和稳定性。此外，研究还表明，二维钙钛矿的铁电特性在提升器件性能方面具有重要作用，尤其是在促进载流子分离和传输方面。这些结果为未来在二维钙钛矿材料领域的研究提供了重要的参考，也为开发高效、稳定的太阳能电池提供了新的方向。

二维钙钛矿的结构和性能优化是提升其在光电子器件中应用的关键。通过调整前驱体溶液的浓度和溶剂种类，研究人员能够有效控制薄膜的晶体取向和形貌，从而提升其光电性能。此外，二维钙钛矿的铁电特性也对其性能产生了重要影响，特别是在促进载流子分离和传输方面。因此，未来的研究可以进一步探索如何通过调控材料的结构和性能，实现更高效率的二维钙钛矿基光电器件。

在实际应用中，二维钙钛矿基太阳能电池的性能提升不仅依赖于材料本身的特性，还与制备工艺密切相关。通过优化溶液沉积过程，研究人员能够获得具有优异光电性能的薄膜，从而提升器件的整体性能。此外，二维钙钛矿的稳定性也是其应用的重要考量因素。尽管其稳定性优于三维钙钛矿，但仍需进一步研究如何提高其在恶劣环境下的稳定性，以满足实际应用的需求。

综上所述，二维分子铁电钙钛矿材料在光电性能和稳定性方面展现出独特的优势，其结构和性能的优化对于提升光电子器件的效率和稳定性具有重要意义。通过精确控制晶体取向和溶剂种类，研究人员能够有效提升材料的光电性能，从而为开发高效、稳定的太阳能电池提供了新的策略。未来的研究可以进一步探索如何通过调控材料的结构和性能，实现更高效率的二维钙钛矿基光电器件，并推动其在光电子领域的广泛应用。