2D鈣鈦礦太陽能電池的能帶調(diào)控
發(fā)布時間：2021-02-03 08:46
經(jīng)過短短十年的發(fā)展,鈣鈦礦太陽能電池效率已經(jīng)超過25%,極具商業(yè)化價值,這得益于三維（3D）鈣鈦礦材料具有合適的帶隙、吸光系數(shù)高、電子遷移距離長等優(yōu)點。但3D鈣鈦礦的穩(wěn)定性依然是其亟待解決的問題。二維（2D）鈣鈦礦器件除了兼具3D鈣鈦礦的優(yōu)異光電性質(zhì)之外,其穩(wěn)定性良好,是解決3D鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性問題的一個可行方案。2D鈣鈦礦晶格中的疏水性大烷基胺陽離子能阻止?jié)駳馇秩氲目赡苈窂?使其成為光電器件的備選材料。由于2D鈣鈦礦對許多不同的有機和無機成分具有較高的耐受性,使其組成具有多樣性,進而影響其能帶變化。本文對2D鈣鈦礦的帶隙調(diào)控及能帶調(diào)控進行總結(jié),希望對制備高效、穩(wěn)定的低維度鈣鈦礦太陽能電池具有一定的指導(dǎo)意義。
【文章來源】：化學(xué)進展. 2020,32(07)北大核心
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
鈣鈦礦太陽能電池原理及常用電荷傳輸材料能帶信息[6～9]
2D鈣鈦礦的形成是通過使用大體積的有機陽離子,將3D鈣鈦礦沿<100>,<110>和<111>晶面進行切割,從而形成三種不同的結(jié)構(gòu)的2D鈣鈦礦,如圖2所示[25,26]。2D鈣鈦礦的組成可根據(jù)層數(shù)和晶面取向變化而改變。與3D鈣鈦礦不同,2D鈣鈦礦中的大體積有機陽離子可在鈣鈦礦降解的最初階段為表面水分子的吸附提供空間位阻。[27]這使鈣鈦礦吸光層對水汽具有良好的穩(wěn)定性[28]。在高溫條件下,熱應(yīng)力會引起3D鈣鈦礦離子的遷移,從而導(dǎo)致其降解[29,30]。而在2D鈣鈦礦中,長鏈胺基的引入可適度的增加其對溫度的耐受性。大體積有機胺離子可以增加離子遷移勢壘,這有助于抑制揮發(fā)性離子從鈣鈦礦晶體中逸出。因此,2D鈣鈦礦材料能夠獲得比3D鈣鈦礦稍好的熱穩(wěn)定性,但是這種對溫度的耐受性不是無限制的,通常僅能維持10 d左右[29,31～33]。沿<100>晶面切割的2D鈣鈦礦,由于對許多不同的有機和無機成分具有較高的耐受性,因而具有較高的組成多樣性和穩(wěn)定性,是研究最廣泛的一類[34]。通常將其分為兩個子類,包括Ruddlesden-Popper(RP)相和Dion-Jacobson(DJ)相。
2D RP相鈣鈦礦是目前報道最多的一類有機無機雜化2D鈣鈦礦材料,其晶體結(jié)構(gòu)與無機化合物RP型層狀鈣鈦礦材料Sr3Ti2O7和K2NiF4相似,結(jié)構(gòu)式為R2An-1BnX3n+1,如圖3所示。A、B和X與3D鈣鈦礦中的含義相同,R是一種體積較大的有機陽離子基團,充當(dāng)層間間隔,通常為脂肪族或芳香族烷基胺。文獻報道最多的R基團有正丁胺(BA=C4H9NH2)[29,35～37]和苯乙胺PEA[16,17,38],此外,還有環(huán)丙胺(CA=C3H5NH2)[39]、5-氨基戊酸(5-AVA=C5H11NO2)[40]、聚乙烯亞胺(PEI)[41]、2-噻吩甲胺(ThMA=C5H7NS)[42]等。它們由BA+、PEA+等單胺陽離子與一側(cè)的鈣鈦礦層相互作用,層與層之間為較弱的范德華作用,連接相鄰陽離子之間存在范德華間隙。RP型鈣鈦礦內(nèi),BA基和PEA基2D鈣鈦礦相鄰層間的I…I鍵長分別為8 ?和10 ?[43]。這種結(jié)構(gòu)給2D鈣鈦礦骨架帶來了不穩(wěn)定因素,其在外界強烈應(yīng)力作用下可能會發(fā)生退化。與RP型鈣鈦礦不同,DJ型2D鈣鈦礦近日來被廣泛報道[43～49]。DJ型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與CsBa2Ta3O10相似,其化學(xué)計量式為MAn-1BnX3n+1,包括一個二胺有機基團M2+。M2+同時連接上下兩個無機層,使得范德華間隙被消除。當(dāng)M2+為3-AMP及4-AMP時,其I…I鍵長分別縮小至4 ?與 4.2 ?[43]。較小的I…I鍵長意味著結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。因此,DJ型鈣鈦礦具有穩(wěn)固的構(gòu)型,層與層之間得以完美的零位移疊加在一起。DJ型鈣鈦礦領(lǐng)域的這些進展表明,其作為一種半導(dǎo)體吸光層應(yīng)用于制備高效且長期穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池具有驚人的潛力[50]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Two-dimensional perovskite capping layer for stable and efficient tin-lead perovskite solar cells[J]. Jin Yuan,Yuanzhi Jiang,Tingwei He,Guodong Shi,Zixiong Fan,Mingjian Yuan. Science China（Chemistry）. 2019(05)
本文編號：3016224
【文章來源】：化學(xué)進展. 2020,32(07)北大核心
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
鈣鈦礦太陽能電池原理及常用電荷傳輸材料能帶信息[6～9]
2D鈣鈦礦的形成是通過使用大體積的有機陽離子,將3D鈣鈦礦沿<100>,<110>和<111>晶面進行切割,從而形成三種不同的結(jié)構(gòu)的2D鈣鈦礦,如圖2所示[25,26]。2D鈣鈦礦的組成可根據(jù)層數(shù)和晶面取向變化而改變。與3D鈣鈦礦不同,2D鈣鈦礦中的大體積有機陽離子可在鈣鈦礦降解的最初階段為表面水分子的吸附提供空間位阻。[27]這使鈣鈦礦吸光層對水汽具有良好的穩(wěn)定性[28]。在高溫條件下,熱應(yīng)力會引起3D鈣鈦礦離子的遷移,從而導(dǎo)致其降解[29,30]。而在2D鈣鈦礦中,長鏈胺基的引入可適度的增加其對溫度的耐受性。大體積有機胺離子可以增加離子遷移勢壘,這有助于抑制揮發(fā)性離子從鈣鈦礦晶體中逸出。因此,2D鈣鈦礦材料能夠獲得比3D鈣鈦礦稍好的熱穩(wěn)定性,但是這種對溫度的耐受性不是無限制的,通常僅能維持10 d左右[29,31～33]。沿<100>晶面切割的2D鈣鈦礦,由于對許多不同的有機和無機成分具有較高的耐受性,因而具有較高的組成多樣性和穩(wěn)定性,是研究最廣泛的一類[34]。通常將其分為兩個子類,包括Ruddlesden-Popper(RP)相和Dion-Jacobson(DJ)相。
2D RP相鈣鈦礦是目前報道最多的一類有機無機雜化2D鈣鈦礦材料,其晶體結(jié)構(gòu)與無機化合物RP型層狀鈣鈦礦材料Sr3Ti2O7和K2NiF4相似,結(jié)構(gòu)式為R2An-1BnX3n+1,如圖3所示。A、B和X與3D鈣鈦礦中的含義相同,R是一種體積較大的有機陽離子基團,充當(dāng)層間間隔,通常為脂肪族或芳香族烷基胺。文獻報道最多的R基團有正丁胺(BA=C4H9NH2)[29,35～37]和苯乙胺PEA[16,17,38],此外,還有環(huán)丙胺(CA=C3H5NH2)[39]、5-氨基戊酸(5-AVA=C5H11NO2)[40]、聚乙烯亞胺(PEI)[41]、2-噻吩甲胺(ThMA=C5H7NS)[42]等。它們由BA+、PEA+等單胺陽離子與一側(cè)的鈣鈦礦層相互作用,層與層之間為較弱的范德華作用,連接相鄰陽離子之間存在范德華間隙。RP型鈣鈦礦內(nèi),BA基和PEA基2D鈣鈦礦相鄰層間的I…I鍵長分別為8 ?和10 ?[43]。這種結(jié)構(gòu)給2D鈣鈦礦骨架帶來了不穩(wěn)定因素,其在外界強烈應(yīng)力作用下可能會發(fā)生退化。與RP型鈣鈦礦不同,DJ型2D鈣鈦礦近日來被廣泛報道[43～49]。DJ型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與CsBa2Ta3O10相似,其化學(xué)計量式為MAn-1BnX3n+1,包括一個二胺有機基團M2+。M2+同時連接上下兩個無機層,使得范德華間隙被消除。當(dāng)M2+為3-AMP及4-AMP時,其I…I鍵長分別縮小至4 ?與 4.2 ?[43]。較小的I…I鍵長意味著結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。因此,DJ型鈣鈦礦具有穩(wěn)固的構(gòu)型,層與層之間得以完美的零位移疊加在一起。DJ型鈣鈦礦領(lǐng)域的這些進展表明,其作為一種半導(dǎo)體吸光層應(yīng)用于制備高效且長期穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池具有驚人的潛力[50]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Two-dimensional perovskite capping layer for stable and efficient tin-lead perovskite solar cells[J]. Jin Yuan,Yuanzhi Jiang,Tingwei He,Guodong Shi,Zixiong Fan,Mingjian Yuan. Science China（Chemistry）. 2019(05)
本文編號：3016224
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