近日，《先进材料》（Advanced Materials）以“Boosting Carrier Transport in Quasi-2D/3D Perovskite Heterojunction for High-Performance Perovskite/Organic Tandems”为题，在线报道了苏州大学李耀文教授和陈炜杰副教授通过准二维/三维钙钛矿异质结抑制界面载流子输运损失，在制备高效、稳定的钙钛矿/有机叠层太阳能电池方面取得重要研究进展（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202411027）。以有机无机杂化钙钛矿，共轭有机半导体为代表的变革性半导体材料由于具备宽吸收光谱、高吸光系数等优势，在制备高效太阳能电池方面具有巨大潜力。将两者结合制备的钙钛矿/有机叠层太阳能电池不仅能够借助有机半导体材料拓宽光谱吸收，突破单结电池理论Shockley–Queisser极限，而且宽带隙钙钛矿前电池能够过滤紫外光，保护有机电池，实现效率和稳定性的全面提升。近年来，苏州大学李耀文团队在该领域做出了系统性研究（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109321；Adv. Mater. 2023, 35, 2208604；Nat. Energy 2024, 9, 592-601；Chin. J. Chem. 2024, 42, 1819-1827）。
在钙钛矿/有机叠层太阳能电池中，经溶液处理的多晶I/Br混合卤素宽带隙（WBG）钙钛矿薄膜在表面和晶界处易形成高密度缺陷，如卤素空位缺陷，Pb-I反位缺陷，Pb0缺陷等，造成严重的界面非辐射复合，且较多的界面缺陷和较大的能级偏移会引起界面载流子输运的损失。当WBG钙钛矿与有机太阳能电池串联时，载流子输运的损失会造成中间复合层（ICL）电子/空穴非平衡复合，导致额外的能量损失。为了解决这些问题，苏州大学李耀文教授等人提出了一种基于准二维/三维（quasi-2D/3D）钙钛矿异质结调控策略。研究围绕钙钛矿太阳能电池器件的电子传输层界面优化这一关键科学问题，使用1,3-丙二胺氢碘酸盐（PDADI）对WBG钙钛矿进行后处理，使其形成了高n值Dion-Jacobson（DJ）quasi-2D钙钛矿。PDADI后处理同时修复了浅/深能级缺陷，并且quasi-2D/3D和3D钙钛矿之间建立了Type-II型的能级对准，加速界面载流子抽提。此外，该策略制备的高n值的quasi-2D钙钛矿缩短了Pb-I键距离，从而增强了层间电子耦合，减弱了量子限域效应，减少了载流子输运损失，最终实现中间复合层处电子/空穴的平衡复合。基于此策略制备的小面积（0.0628 cm2）钙钛矿/有机叠层电池获得了25.92%的光电转换效率，将有效面积扩大为1.004 cm2的叠层电池仍获得24.63%的效率，展现出弱的尺寸依赖性。此外，该叠层电池在最大功率点持续工作1000小时仍保持初始效率的87%。
为提升叠层太阳能电池的效率，该团队构筑了quasi-2D/3D异质结。研究发现，使用PDADI进行表面处理时，PDADI可以与异丙醇溶解的前驱体以及残留的PbX2（X: I或Br）反应，在钙钛矿上表面和晶界处生成以高n值为主的DJ相quasi-2D钙钛矿（图1）。此外，具有高n值的quasi-2D钙钛矿缩短了Pb-I键间距，有效减少了载流子运输障碍，并使准二维钙钛矿仍保留三维钙钛矿的优点，如良好的载流子输运性能和较长的寿命。因此，该策略在解决钙钛矿/有机叠层太阳能电池界面问题方面表现出巨大的潜力。图2. quasi-2D组分对薄膜缺陷及界面载流子传输的影响该团队发现基于PDADI的DJ相quasi-2D钙钛矿能够有效抑制界面非辐射复合，并促进了从钙钛矿到中间复合层的界面电子提取，quasi-2D/3D异质结有利于降低薄膜中的缺陷态密度，同时修复浅能级（3D钙钛矿晶格中的VI）和深能级（Pb0）缺陷，并在quasi-2D/3D与3D钙钛矿之间建立Type-II型能级对准，以实现界面载流子的快速抽提（图2）。图3. quasi-2D/3D钙钛矿界面处电子传输性能提升的机制该团队进一步研究了quasi-2D/3D钙钛矿层间电子传输性能提升的机制。通过Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE-SOC）计算评估了钙钛矿的能带结构，3D钙钛矿由于其晶格中存在大量的VI，在能带结构中会产生浅能级缺陷态，捕获相邻的载流子并阻碍层间电荷传输。PDADI表面处理不仅修复了VI，生成的quasi-2D钙钛矿导带沿Γ-Z方向存在色散（≈ 0.1 eV），这表明层间电子耦合被有效增强，削弱了限制载流子传输的量子限域效应。该团队还通过实验研究来验证上述结论，采用双端Cu-bottom/perovskite/Cu-Top器件证实了具有高n值和短层间距的quasi-2D钙钛矿有利于钙钛矿活性层中电子向两端电极的对称传输，有效减少了电荷传输损失，提高了中间复合层处电子浓度，从而实现电子/空穴的平衡复合（图3）。图4. quasi-2D/3D钙钛矿提升宽带隙钙钛矿太阳能电池性能基于上述结果，研究团队构筑了ITO/NiOx/2PACz/WBG perovskite/C60/BCP/Ag结构的宽带隙钙钛矿太阳能电池。quasi-2D/3D钙钛矿太阳能电池表现出18.69%的光电转换效率，开路电压为1.32 V（图4）。性能的提升归因于quasi-2D/3D异质结可以显著提高器件的电致发光量子效率，大幅降低了非辐射复合引起的能量损失，器件内建电场的增大也验证上述结论。由于quasi-2D层能够有效抑制离子迁移，宽带隙钙钛矿太阳能电池表现出优异的工作稳定性，在最大功率点持续工作1000小时，仍然能够保持初始效率的93%。基于以上研究，研究团队进一步构筑了ITO/NiOx/2PACz/perovskite/C60/BCP/Ag/MoO3/2PACz/PM6:D18:BTP-eC9/C60/BCP/Ag结构的钙钛矿/有机叠层器件。小面积（0.0628 cm2）叠层器件表现出25.92%的光电转换效率，大面积（1.004 cm2）的叠层器件效率也高达24.63%，并展现出良好的均匀性（图5）。最后，基于quasi-2D/3D异质结的叠层器件表现出优异的工作稳定性，在最大功率点持续工作1000小时，仍然能够保持初始效率的87%。小结：该团队通过构筑DJ相quasi-2D/3D异质结，削弱了层间量子限域效应，形成的Type-II型能级排列加快了界面电子抽提，减少了界面电荷损失，最终实现了叠层电池性能和稳定性的全面提升。该策略将为钙钛矿/有机叠层太阳能电池突破单结Shockley–Queisser极限效率并提升器件稳定性开辟出一条新道路。苏州大学材料与化学化工学部的硕士研究生亢帅青以及本科生王子越为论文的共同第一作者；通讯作者为李耀文教授和陈炜杰副教授。该研究成果得到了国家自然科学基金（52203233，52325307，52473188，22075194，52273188）等项目的资助。原文链接：
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