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--> --> -->卤素钙钛矿材料具有优异的光电半导体性质: 理想可调制的光学带隙、平衡的载流子迁移、较低的本征缺陷以及较高的吸光系数. 除此之外, 通过向材料中引入苯乙胺、丁胺等大阳离子可以对其结构进行裁剪, 形成一系列的低维钙钛矿材料. 低维结构不仅影响材料的光电性质, 同时会提高材料的水气稳定性, 是提高器件稳定性的重要思路[5-7].
由于有机胺分子与卤素钙钛矿骨架形成氢键的现象十分普遍, 因而低维钙钛矿材料种类繁多, 其中最重要、研究和应用最广泛的低维钙钛矿是Ruddlesden-Popper 型钙钛矿. 这种材料的结构特点是: 通过较大的有机胺分子, 如丁胺(BA)、苯乙胺(PEA)等作为封端配体作用于无机骨架表面; 内部空腔则填入大小合适的小阳离子, 如甲胺(MA)、甲脒(FA)、铯(Cs)等来进行电荷平衡. 通过调节阳离子间的比例, 可以生产不同层数(n)的钙钛矿材料, 其中具有较低层数(n = 1—4)的晶体结构均已经通过单晶衍射方法确定[6]. 以丁胺-甲胺碘化铅为例, 其化学组成可以写为关于n的函数:
2.1.试剂与规格
碘化铅(Sigma-Aldrich, 分析纯); 碘化甲胺(Sigma-Aldrich, 分析纯); 2, 2’-联咪唑氢碘酸盐(自制); 氢碘酸(国药, 40%水溶液); N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、甲苯均为分析纯.2
2.2.样品制备与表征
32.2.1.铅碘酸联咪唑(BIMPbI4)制备
461 mg (1 mmol)碘化铅溶于10 mL氢碘酸中, 在60 ℃下搅拌溶解形成透明的淡黄色溶液A; 391 mg (1 mmol)联咪唑氢碘酸盐溶于10 mL氢碘酸中, 在60 ℃下搅拌溶解形成无色透明溶液B. 待两种溶液缓慢冷却至室温后, 将溶液B缓慢加入溶液A中并充分混匀, 缓慢挥发结晶48 h后得到深红色片状晶体.3
2.2.2.铅碘酸甲胺联咪唑(MA2BIMPb2I8)制备
461 mg (1 mmol)碘化铅溶于10 mL氢碘酸中, 并在60 ℃下搅拌溶解形成透明的淡黄色溶液C; 391 mg (1 mmol)联咪唑氢碘酸盐, 795 mg (5 mmol)碘化甲胺溶于10 mL氢碘酸中, 在60 ℃下搅拌溶解形成无色透明溶液D. 待两种溶液缓慢冷却至室温后, 将溶液D缓慢加入溶液C中并充分混匀, 缓慢挥发结晶48 h后得到褐色片状晶体.3
2.2.3.薄膜及太阳能电池器件制备
根据文献[18]方法在干净的氧化铟锡(ITO)电极玻璃表面沉积一层氧化镍(NiO)空穴传输层, 并立即用紫外-臭氧处理10 min. 将碘化铅、碘化甲胺、联咪唑氢碘酸盐溶于60 ℃混合有机溶剂(DMF:DMSO = 4 : 1)配置 1 mol/L 浓度的钙钛矿前驱液(以碘化铅计). 在氮气氛围的手套箱中, 将前驱液滴加至氧化镍上并在1000 r/min涂10 s后3000 r/min旋涂60 s, 在旋涂过程中滴加氯苯使其更好结晶, 之后马上将其放置在100 ℃加热板上退火10 min. 退火完成后冷却至室温, 并在钙钛矿层上再依次旋涂PCBM和BCP电子传输层, 最后将铝电极通过热蒸发装置沉积在电子传输层上.3
2.2.4.X射线衍射测试
挑选合适的单晶体使用Brucker D8 VENTURE 衍射仪进行数据收集, 辐射源为Mo Kα射线, 温度为298 K. 数据使用内置ShelXT和ShelXL的olex2软件进行处理, 并使用Vesta软件进行可视化. 粉末衍射使用 Brucker D2 Phaser 衍射仪, 辐射源为Cuα射线, 2θ角范围为10°—50°, 步长为0.02°, 单步积分时间为0.5 s.3
2.2.5.薄膜吸收光谱测试
吸收光谱使用带积分球附件的 Cary 5000 UV-vis-NIR 光谱仪, 波长范围为350—1000 nm, 并且使用空白的ITO玻璃进行基线校准.太阳能电池两极接入 Keithley 2400 电源, 在偏压–0.2—1.2 V下以步长0.02 V, 积分时间30 ms进行扫描. 其中光源由功率 100 mW/cm2 的AM 1.5 太阳光模拟器提供, 有效面积为0.2 cm × 0.2 cm.
当向两种二维钙钛矿嵌入小阳离子时, Ruddlesden-Popper 型钙钛矿很容易形成多层结构. 由于维度增大, 面内的PbI6八面体排布会趋向于正交MAPbI3 结构, 即Pb—I—Pb 夹角变大, 刚性变强. 而对于联咪唑封端的二维结构, 通过多次调节投料比例和结晶温度, 均无法得到具有多层结构的晶体. 当使用5倍量的甲胺分子进行结晶时, 得到了一种特殊的扭曲二维层状结构: 甲胺和联咪唑共同参与配位, 层内的Pb—I—Pb夹角和Pb—I键长均趋向于正交MAPbI3的结构(图1(d)), 该结构的单晶结构参数见表A1.
图 1 二维钙钛矿的结构 (a) BA2PbI4; (b) BA2MAPb2I7; (c) BIMPbI4; (d) MA2BIMPb2I8
Figure1. Structure of two-dimensional perovskite: (a) BA2PbI4; (b) BA2MAPb2I7; (c) BIMPbI4; (d) MA2BIMPb2I8.
组成 | 投料摩尔比(BIMI2:MAI:PbI2) |
BIM0.2MA0.8PbI3.2 (BIMPbI4:MAPbI3 = 0.2 : 0.8) | 0.2 : 0.8 : 1 |
BIM0.1MA0.9PbI3.1 (BIMPbI4:MAPbI3 = 0.1 : 0.9) | 0.1 : 0.9 : 1 |
BIM0.2MAPbI3.4 (MA2BIMPb2I8:MAPbI3 = 0.1 : 0.8) | 0.2 : 1 : 1 |
BIM0.1MAPbI3.2 (MA2BIMPb2I8:MAPbI3 = 0.05 : 0.9) | 0.1 : 1 : 1 |
表A2器件制备前驱液配方
TableA2.Composition of perovskite precursor solutions
基于两种二维材料的组成, 设计两种不同的投料比例来验证这类二维结构在钙钛矿太阳能电池器件中的作用, 这两类二维结构分别为纯二维结构钝化和混合二维结构钝化(表A2). 从钙钛矿薄膜的X射线衍射数据可以看出, 其物相主要分为两部分: 正交相的MAPbI3 以及二维相(图2(a)、图 A1). 当MA含量较低时, 薄膜出现2θ = 7.5°的二维峰, 其二维峰信号较Ruddlesden-Popper 型钙钛矿明显偏大且不存在更小角度的信号, 表明形成了层间距较小的单层二维相, 随着MA含量增高, 该二维峰逐渐消失, 2θ = 10°的信号得以保留, 这是MA2BIMPb2I8结构存在的信号; 吸收光谱以及荧光光谱表明BIM含量并不影响材料的光学带隙和荧光发射波长(图2(b)), 说明薄膜中的MAPbI3并未出现量子限域效应. 以上结果也进一步说明联咪唑离子与MAPbI3 之间无法形成类似Ruddlesden-Popper 型钙钛矿的多层结构. 两种二维结构钝化的器件均表现出比对照组器件较高的开路电压(Voc), 考虑到开路电压和薄膜中的缺陷有密切关系, 电压的升高说面三维钙钛矿表面的二维结构有可能会降低钙钛矿薄膜中的缺陷, 起到抑制半导体材料中的非辐射复合的作用; 从吸收光谱和荧光光谱来看, 吸收位置保持不变, 表明材料的带隙没有变化, 进一步说明电压的升高是由于缺陷的降低引起的. 较小的掺杂浓度下, 纯二维结构钝化的开路电压有所减小, 而混合二维结构并没有明显改变, 说明混合二维结构的钝化效果更好. 另外, 对于两种结构, 掺杂浓度的提高均会导致短路电流的显著降低, 说明二维结构的引入导致串联电阻增大; 而相同掺杂比例的混合结构拥有更高的短路电流, 说明混合二维结构具有更好的电荷传输性能(图3). 所有不同组成的最佳器件参数见表A3.
图 2 钙钛矿薄膜表征 (a)二维-三维(2D-3D)混合薄膜X射线衍射图; (b)薄膜吸收光谱及荧光光谱
Figure2. Characterization of perovskite films: (a) X-ray diffraction of 2D-3D perovskite film; (b) Abs and PL of perovskite films.
图 A1 钙钛矿薄膜X射线衍射小角度放大图
FigureA1. Magnification of low angle X-ray diffraction patterns of perovskite films
图 3 不同组成对应器件性能比较 (a) 开路电压; (b) 短路电流; (c) 光电转换效率; (d) 电流-电压曲线
Figure3. Device performance with different composition: (a) Open-circuit voltage; (b) short-circuit current; (c) power conversion efficiency; (d) plot of J-V curves.
组成 | 开路电压Voc/V | 短路电流Jsc/ mA·cm–2 | 填充因子FF/% | 转换效率η/% |
BIM0.2MA0.8PbI3.2 | 1.08 | 8.90 | 45.8 | 4.41 |
BIM0.1MA0.9PbI3.1 | 1.01 | 15.90 | 67.6 | 10.89 |
BIM0.2MAPbI3.4 | 1.07 | 14.72 | 66.1 | 10.46 |
BIM0.1MAPbI3.2 | 1.08 | 17.25 | 75.12 | 14.06 |
表A3器件基本参数
TableA3.Parameters of solar cell devices
二维晶面 | 晶格间距/? (横向, 纵向) | 钝化晶面 | 晶格间距/? (横向, 纵向) | 失配率 (横向, 纵向) |
MA2BIMPb2I8 (002) | 6.25, 6.38 | 正交MAPbI3 (110) | 6.26, 6.32 | 0.16%, 0.95% |
BIMPbI4 (002) | 6.45, 6.45 | 正交MAPbI3 (–110) | 6.32, 6.26 | 2.06%, 3.04% |
立方MAPbI3 (001) | 6.31, 6.31 | 2.22%, 2.22% |
表A4钝化模型参数总结
TableA4.Summary of parameters in the passivation model
图 4 晶界的钝化模型 (a) MA2BIMPb2I8 (002)面与MAPbI3 (110)面晶格匹配; (b) BIMPbI4 (002)面与MAPbI3 (–110)面晶格匹配; (c) 晶面透视图及两个方向上的晶格参数; (d)钙钛矿钝化模型
Figure4. Passivation model of interfaces: (a) Lattice matching of MA2BIMPb2I8 (002) and MAPbI3 (110); (b) lattice matching of BIMPbI4 (002) and MAPbI3 (–110); (c) perspective of layered crystal and lattice parameter of two directions; (d) passivation of perovskite.
注意到, 对于纯二维结构钝化, 其面内两个方向上的Pb—I—Pb夹角均接近于180°, 对应的钝化晶面应该为正交MAPbI3的(–110)面, 但是从晶格参数来看, 不管是横向还是轴向, 其晶格间距均稍大于钝化晶面的晶格间距, 导致在这两个方向上的失配率均较高. 比较该晶面与立方MAPbI3 (001)晶面的晶格参数, 发现虽然两者对称性更加匹配, 但是晶格间距仍然较大, 失配率较高. 而对于具有扭曲结构的混合二维结构, 立方MAPbI3的(110)晶面具有与之类似的结构特点. 通过比较这两个方向上的晶格间距, 发现二者在两个方向上的失配率均很小(表A4). 另一方面, 混合二维结构钙钛矿的结构刚性较弱, 面内碘原子的热振动比纯二维结构强很多, 可以进一步促进界面的晶格匹配. 综合上述两点, 可以说明混合二维结构对MAPbI3的晶界应该具有更好的钝化作用(图4(d)).
参数 | 取值 |
Compound | MA2BIMPb2I8 |
Formula weight | 1628.6 |
Temperature/K | 249.99 |
Crystal system | orthorhombic |
Space group | Pmna |
a/? | 12.5016(7) |
b/? | 6.3876(4) |
c/? | 18.8380(12) |
α/(°) | 90.00 |
β/(°) | 90.00 |
γ/(°) | 90.00 |
Volume/?3 | 1504.31(16) |
Z | 4 |
ρcalc/g·cm–3 | 5.581 |
μ/mm–1 | 46.218 |
F(000) | 2086.0 |
Radiation | Mo Kα (λ = 0.71073) |
2θ range for data collection/(°) | 6.38 to 52.72 |
Index ranges | –15 ≤ h ≤ 15, –7 ≤ k ≤ 7, –23 ≤ l ≤ 23 |
Reflections collected | 12046 |
Independent reflections | 1608 [Rint = 0.0780, Rsigma = 0.0442] |
Data/restraints/parameters | 1608/0/64 |
Goodness-of-fit on F2 | 1.039 |
Final R indexes [I ≥ 2σ(I)] | R1 = 0.0485, wR2 = 0.1043 |
Final R indexes [all data] | R1 = 0.0767, wR2 = 0.1171 |
Largest diff. peak/hole/e·?–3 | 3.45/–2.09 |
表A1MA2BIMPb2I8 单晶数据报告
TableA1.Crystallographic parameter of MA2BIMPb2I8
图 A2 最佳性能电池器件的回滞曲线
FigureA2. Hysteresis curves of the best device
组成 | 类型/层数 | Voc/V | Jsc /mA·cm-2 | FF/% | η/% |
(PEA)2(MA)3Pb4I13 | RP (4) | 1.16 | 14.7 | 77 | 12.1[22] |
(BA)2MA3Pb4I13 | RP (4) | 0.99 | 18.43 | 75.2 | 13.8[16] |
(BEA)2MA3Pb4I13 | RP (4) | 1.01 | 20.63 | 78.0 | 16.1[16] |
(BYA)2MA3Pb4I13 | RP (4) | 1.01 | 19.53 | 76.4 | 15.1[16] |
(PEA)2MA3Pb4I13 | RP (4) | 1.14 | 18.78 | 62 | 13.41[23] |
BA2MA4Pb5I16 | RP (5) | 0.99 | 11.67 | 72.1 | 8.32[24] |
PA2MA4Pb5I16 | RP (5) | 1.13 | 18.89 | 49 | 10.41[14] |
(BA)2(MA)3Pb4I13 | RP (4) | 1.06 | 16.6 | 70.9 | 12.5[25] |
3AMP(MA)3Pb4I13 | DJ (4) | 1.06 | 10.17 | 67.6 | 7.33[26] |
3AMP(MA0.75FA0.25)3Pb4I13 | DJ (4) | 1.09 | 13.69 | 81.04 | 12.04[27] |
(PDMA)FA2Pb3I10 | DJ (3) | 0.84 | 11.48 | 72.1 | 7.11[28] |
BzDA(Cs0.05MA0.15FA0.8)9Pb10(I0.93Br0.07)31 | DJ (10) | 1.02 | 21.5 | 71 | 15.6[29] |
BIM0.2MAPbI3.4 | 4 | 1.07 | 14.72 | 66.1 | 10.46 |
BIM0.1MAPbI3.2 | 9 | 1.08 | 17.25 | 75.1 | 14.06 |
表A5近期二维钙钛矿太阳能电池进展
TableA5.Recent advances of 2D perovskite solar cells