协同纳米压印与三元共混在二维金属卤化物/有机互穿式光伏中实现23.37%效率及卓越稳定性

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Synergistic nanoimprinting and ternary blending enable 23.37% efficiency and exceptional stability in 2D-metal halide/organic interdigitated photovoltaics

　　高效薄膜光伏技术需要同时优化光吸收、电荷分离、载流子提取和工作稳定性，但在传统平面p/n异质结中这些要求难以兼容。在此，我们提出一种协同策略，将纳米压印p型二维（2D）金属卤化物钙钛矿支架与三元共混n型有机层集成，构建有序嵌入式异质结光伏器件。优化后的纳米压印工艺将平面p型结晶层转化为高度有序的纳米孔阵列，同时保持结晶连续性，改善薄膜形貌并抑制缺陷态。所得纳米孔结构通过光学场局域化和多次散射，增强了400–900 nm宽波段的光吸收。同时，扩大的p/n界面接触面积和有序的电荷传输路径促进了载流子提取，提高了内建电势，降低了能量无序度，并抑制了界面复合。因此，纳米压印二元器件实现了21.91%的功率转换效率，超过平面对照器件的19.70%。进一步将PC₇₁BM掺入D18-Cl:PY-IT主体共混层后，效率提升至23.37%。值得注意的是，未封装的三元器件在N₂环境中运行2000 h后仍保留初始效率的90%，最大功率点追踪1200 h后保留超过92%，表现出优异的稳定性。本工作证明，纳米压印p型2D金属卤化物钙钛矿可作为结构可调的结晶支架，用于高效稳定的p/n嵌入式光伏器件。金属卤化物钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能，已成为新一代光伏技术的领先者，经认证的功率转换效率现已达到27.3%。然而，从实验室走向商业化应用仍受到光吸收与载流子收集之间固有矛盾的阻碍。在金属卤化物钙钛矿与非富勒烯有机半导体之间构建p/n异质结，可有效拓宽光吸收范围并加速界面电荷提取，为克服这一矛盾提供了可行策略。尽管如此，大多数报道的金属卤化物基p/n异质结器件依赖三维（3D）结晶薄膜和平面p/n异质界面。此类结构易受潮气、氧气、离子迁移和界面退化影响，且为电荷分离提供的p/n接触面积有限。当n型组分是有机半导体时，这些限制尤为明显，因为有机半导体的激子扩散和电荷传输强烈依赖于形貌。二维（2D）有机–无机金属卤化物在其晶格中穿插了大体积有机阳离子，在保留结晶金属卤化物半导体优势的同时，可实现对维度、表面能和环境耐受性的调控。在Ruddlesden–Popper（RP）、Dion–Jacobson（DJ）和交替阳离子间隔层（ACI）准二维相中，ACI脱颖而出。其较小的层间距和极小的面外电荷传输势垒赋予其优异的稳定性和高效率潜力。然而，简单地用平面2D薄膜替代3D金属卤化物薄膜并不能解决界面瓶颈。平面2D金属卤化物层仍存在p/n接触面积不足、与非富勒烯有机半导体光活性相空间重叠有限的问题，从而限制了激子解离、电荷提取和光学场利用。因此，基于2D金属卤化物构建有序互穿异质结颇具前景，但要求在纳米尺度精确结构化，同时不破坏结晶连续性。通过将平整的2D金属卤化物薄膜转化为周期性纳米多孔结构，该方法可扩大p/n界面面积，缩短激子解离距离，促进定向空穴提取，并增强光学场分布，从而将体异质结的大接触面积与平面异质结的传输连续性相结合。在此，我们报告了一种协同策略，将纳米压印p型2D金属卤化物钙钛矿支架与三元共混n型有机层集成，构建有序嵌入式p/n异质结光伏器件。通过优化纳米压印，在p型金属卤化物层中形成高度有序的纳米孔阵列，同时保持甚至改善薄膜形貌和结晶度。所得纳米多孔结构通过光学场局域化和多次散射增强了400–900 nm光吸收。同时，扩大的p/n界面接触和有序的电荷传输路径促进了载流子提取并抑制界面复合，表现为更快的电荷提取、更长的复合寿命、更高的内建电势和更低的Urbach能。因此，纳米压印二元器件实现了21.91%的功率转换效率，优于平面对照器件的19.70%。进一步将PC₇₁BM掺入D18-Cl:PY-IT主体共混层后，PCE提升至23.37%。值得注意的是，未封装三元器件在N₂中运行2000 h后保留初始效率的90%，最大功率点（MPP）追踪1200 h后保留超过92%，展现出优异的工作稳定性。本工作确立了纳米压印p型2D金属卤化物作为结构可调结晶支架，用于高效稳定的p/n异质结光伏器件。纳米压印对形貌和结晶度的影响：首先，通过紫外光电子能谱（UPS）测量确定所选2D金属卤化物钙钛矿层为p型，有机活性层为n型，以下简称p型层和n型层（图S1、S2）。压印后的p型层采用图1a所示方法制备。不同压印压力处理的p型薄膜表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力……结论：本工作展示了一种协同策略，结合2D p型金属卤化物钙钛矿、纳米压印嵌入式异质结和三元共混n型层，解决光伏器件中光吸收与载流子收集之间的固有矛盾。最优压印压力80 bar生成高度有序的纳米孔阵列，改善薄膜形貌和结晶度，同时抑制缺陷态。纳米压印结构增强了宽波段光……作者贡献：Xiaopeng Xu和Qiang Peng监督项目。Xiaopeng Xu和Ben Fan构想研究、设计实验并起草原始论文。Ben Fan制备并表征器件。Qizhi Jiang、Jiahao Zhang和Yihui Wu协助表征和数据分析。所有作者讨论结果并修改论文。CRediT作者贡献声明：Ben Fan：方法论、资金获取、形式化分析、数据管理。Qizhi Jiang：方法论、资金获取、形式化分析、数据管理。Jiahao Zhang：方法论、资金获取、形式化分析、数据管理。Xiaopeng Xu：论文撰写–原始草稿、监督、资源、项目管理、概念构思。Yihui Wu：方法论、资金获取、形式化分析、数据管理。Qiang Peng：论文撰写–审阅与编辑、验证、监督、资源、项目……数据与代码可用性：支持本研究所有发现的数据均已呈现在论文和补充信息中。本研究未产生任何代码。利益冲突声明：作者声明没有已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢：本研究得到中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB4200500）、国家自然科学基金（NSFC，编号：22422904、22379101、225B2912）和四川省自然科学基金（编号：2024NSFSC0001）的资助。Xiaopeng Xu于2019年在中国四川大学获得博士学位。2019–2020年间，他在香港科技大学化学系担任博士后研究员。2020年，他加入四川大学化学工程学院任教授。他的研究兴趣包括有机半导体光伏关键材料的设计与合成，以及有机……Ben Fan|Qizhi Jiang|Jiahao Zhang|Xiaopeng Xu|Yihui Wu|Qiang Peng四川大学化学工程学院与先进高分子材料国家重点实验室，成都，610065，中国