研究内容

二维钙钛矿因其固有的结构稳定性而成为光伏领域的理想候选材料，但其转换效率常受限于较差的电荷传输性能，部分原因在于晶体取向不利。

近日，南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心陈永胜院士、刘永胜教授团队提出了一种分子界面工程策略：利用双锚定有机酸——克酮酸（CA）和方酸（SA），引导Dion-Jacobson（DJ）钙钛矿薄膜实现垂直结晶。这些分子在NiOx空穴传输层与 TTDMA (thieno[3,2-b]thiophene-2,5-diyldimethanaminium)–based DJ钙钛矿（标称n=4）之间形成了稳定的中间层，其中SA通过双齿配位作用呈现出有序的垂直取向。这种模板化界面设计有效促进了晶体垂直排列，减少了界面缺陷和晶格应变，并抑制了Ni³⁺对I⁻的氧化作用。最终，采用SA的器件实现了22.03%的冠军级光电转换效率（认证值为21.42%），同时具备卓越的操作稳定性。本研究揭示了一种通用的分子界面策略，可有效引导垂直结晶过程并提升层状钙钛矿太阳能电池的性能。

相关研究成果以“Molecular interfaces drive vertical crystallization in Dion-Jacobson perovskite solar cells”为题发表在《Science Advances》期刊上，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

图文导读

图1.功能性有机分子的双重锚定特性。(A)钙钛矿（PVSK）与NiOx界面处SA和CA吸附的化学结构及最优构象。（B至D）NiOx、NiOx/CA及NiOx/SA体系中Ni 2p3/2轨道的 XPS谱图。a.u.为任意单位。

图2.功能分子指导DJ钙钛矿的结晶过程及形貌控制。（A至C）40°C下不同基底上 TTDMA -Pb薄膜的原位光致发光（PL）光谱。（D至F）100°C下不同基底上 TTDMA -Pb薄膜的原位PL光谱。（G至I）沉积于不同基底上的 TTDMA -Pb薄膜顶部形貌（插图为晶粒尺寸分布）。（J至L）沉积于NiOx、NiOx/CA及NiOx/SA基底上的 TTDMA -Pb薄膜底部形貌。

图3. DJ钙钛矿的晶体生长与取向。(A–C)不同基底上 TTDMA -Pb薄膜的入射角依赖性 GIWAXS（左图），及其在0.9°入射角下的相应 GIWAXS（T=100°C）（右图）。(D–F) NiOx(D)、NiOx/CA(E)和NiOx/SA(F)基底上 TTDMA -Pb薄膜沿(111)晶环的径向积分强度分布图。(G–I)不同基底上 TTDMA -Pb晶体取向的示意图。

图4.钙钛矿薄膜的电子特性。（A至C）NiOx、NiOx/CA及NiOx/SA薄膜的 KPFM图像及统计势分布。（D至F）NiOx、NiOx/CA、NiOx/SA及 TTDMA -Pb薄膜的能量谱。(G)不同基底上 TTDMA -Pb薄膜在不同倾斜角度下的 GIXD谱。(H)从（111）晶面获得的d间距值随入射角的变化关系。

图5.设备光伏性能。(A)经优化的 TTDMA -Pb器件（含或不含功能层）的J-V曲线。(B)基于先前发表的DJ钙钛矿太阳能电池研究结果（平均n值<6）及本研究中效率（>15%）的汇总。(C)相应器件的Mott-Schottky图。(D)在约50°C、N₂气氛下持续光照条件下，未封装器件的最大功率点（MPP）跟踪曲线。(E)面积为1.1 cm²的SA基器件的J-V曲线。

文献信息

Molecular interfaces drive vertical crystallization in Dion-Jacobson perovskite solar cells. Science Advances. Rui Wang, Xiyue Dong, Yuting Ma, Liu Yang, Jiangnan Li, Yuping Gao, Yu Chen, Yu Zou, Wenjuan Feng, Ziyang Hu, Yongsheng Chen*, Yongsheng Liu*.

来源：发光材料与器件应用