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電子科大郝鋒small：2D高效DJ錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，電荷分離與提取性能大提升！

發(fā)表時(shí)間：2025-06-20 13:48

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主要內(nèi)容

電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院郝鋒教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)在二維錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。二維狄翁 - 雅各布森（Dion–Jacobson，簡(jiǎn)稱 DJ）錫鹵化物鈣鈦礦因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及可設(shè)計(jì)多功能間隔陽(yáng)離子的特性，被視為**潛力的光伏材料。然而，絕緣的有機(jī)間隔陽(yáng)離子會(huì)引發(fā)介電限制效應(yīng)和量子阱結(jié)構(gòu)，致使這類二維鈣鈦礦通常表現(xiàn)出較差的電荷傳輸性能，進(jìn)而成為高效太陽(yáng)能電池制備的一大阻礙。

在此背景下，郝鋒教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入多環(huán)芳香胺 1,5 - 萘二胺（15 - NDA）作為間隔陽(yáng)離子，相較于傳統(tǒng)使用的對(duì)苯二胺，這一改進(jìn)帶來(lái)了顯著效果。理論模擬與實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果顯示，具有擴(kuò)展π共軛長(zhǎng)度的 15 - NDA 具備更大的空間位阻，能夠有效抑制小 n 相的形成，進(jìn)而削弱介電限制效應(yīng)和量子阱限制，有力促進(jìn)了激子解離。此外，15 - NDA 較強(qiáng)的π–π共軛作用增強(qiáng)了分子間相互作用，有助于制備出更加均勻致密的鈣鈦礦薄膜。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn) 15 - NDA 能有效降低 Sn2? 和 I? 的氧化程度以及相應(yīng)的缺陷態(tài)密度。

得益于上述改進(jìn)，對(duì)應(yīng)的器件展現(xiàn)出顯著提升的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和快速的載流子提取能力?；诖?，團(tuán)隊(duì)成功制備的二維 DJ（15 - NDA）FA?Sn?I?? 太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了 7.33% 的光電轉(zhuǎn)換效率，這一性能創(chuàng)下了二維 DJ 錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（TPSCs）的紀(jì)錄，并且在濕度和氮?dú)猸h(huán)境下均表現(xiàn)出改善的穩(wěn)定性。

從理論層面深入剖析，15 - NDA 不僅具有更窄的*高占據(jù)分子軌道（HOMO）-*低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能隙，可降低量子阱的束縛勢(shì)能；而且其介電常數(shù)更大，能夠減小介電失配，削弱激子結(jié)合能，有利于激子的有效解離。通過(guò)Fourier Transform Infrared Spectroscopy（簡(jiǎn)稱FTIR）、氫核磁共振（1H NMR）、X 射線光電子能譜（XPS）和動(dòng)態(tài)光散射（DLS）等一系列實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn)，15 - NDA - Sn 體系中分子間相互作用更強(qiáng)，這有助于前驅(qū)體的聚集并增大晶核尺寸，從而獲得孔洞更少、粗糙度更低的鈣鈦礦薄膜，且進(jìn)一步抑制了 Sn2? 和 I? 的氧化。更有趣的是，時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）證實(shí)，基于 15 - NDA - Sn 的器件在不同傳輸層中具有更長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和更快的電荷提取速度。

*終，15 - NDA - Sn 二維 DJ TPSCs 實(shí)現(xiàn)了 7.33% 的優(yōu)秀效率，這是目前報(bào)道的二維 DJ TPSCs 中的**性能。此外，15 - NDA 能夠抑制離子遷移并提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，相應(yīng)器件在空氣和氮?dú)猸h(huán)境中均表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。郝鋒教授團(tuán)隊(duì)此次工作為通過(guò)有機(jī)間隔陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化器件性能提供了一種新策略，有力推動(dòng)了高效且穩(wěn)定的二維 DJ TPSCs 的發(fā)展。

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