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香港城大任廣禹small：揭秘硒吩基間隔層對(duì)DJ鈣鈦礦高效太陽(yáng)能電池的作用

發(fā)表時(shí)間：2025-06-19 14:23

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主要內(nèi)容

二維狄恩 - 雅各布森（Dion - Jacobson，簡(jiǎn)稱(chēng) DJ）鈣鈦礦材料因消除了有機(jī)間隔層間的范德華間隙，具備出色的環(huán)境與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在光伏領(lǐng)域潛力巨大。香港城市大學(xué) Alex K.-Y. Jen（任廣禹）教授、付強(qiáng)教授與南開(kāi)大學(xué)劉永勝教授帶領(lǐng)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在該領(lǐng)域取得關(guān)鍵進(jìn)展。

團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出基于硒吩的二價(jià)陽(yáng)離子間隔層材料——Selenophene dimethylammonium（SeDMA），并應(yīng)用于制備高效穩(wěn)定的 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）。借助原位掠入射廣角 X 射線散射（GIWAXS）和原位光致發(fā)光（PL）測(cè)量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)相較于Thiophene dimethylammonium（ThDMA）的薄膜，SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦薄膜成核速率大幅提升。

這是由于牢固的硒 - 硒（Se···Se）和硒 - 鉛（Se···Pb）相互作用，加速了晶體垂直取向生長(zhǎng)，進(jìn)而提升了薄膜質(zhì)量、增大了晶粒尺寸、提高了電荷載流子遷移率并降低了陷阱密度。

基于此，采用甲基銨（Methylammonium，MA）作為 A 位陽(yáng)離子（標(biāo)稱(chēng) n = 5）的優(yōu)化型 SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá) 17.85%。進(jìn)一步采用甲脒/甲基銨（Formamidinium/Methylammonium，F(xiàn)A/MA）二元 A 位陽(yáng)離子策略后，效率提升至 19.43%。與 ThDMA 基同類(lèi)電池相比，SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在熱、濕、光穩(wěn)定性方面優(yōu)勢(shì)顯著。

進(jìn)一步研究表明，SeDMA 作為間隔層時(shí)，其分子間的硒─硒（Se─Se）相互作用增強(qiáng)了有機(jī)層與相鄰無(wú)機(jī)層間鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相較于 ThDMA 基甲基銨鉛（MA - Pb）鈣鈦礦，SeDMA 基甲基銨鉛（SeDMA - MA - Pb）鈣鈦礦（標(biāo)稱(chēng) n = 5）載流子壽命更長(zhǎng)、非輻射復(fù)合損失更低、電荷載流子遷移率更高。

上述成果表明，采用 MA 及 FA/MA 二元陽(yáng)離子體系的優(yōu)化型 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，分別實(shí)現(xiàn)了 17.85% 和 19.43% 的*高 PCE，顯著提升了二維 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能。此外，SeDMA 基 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在耐熱、耐濕、耐光性能上表現(xiàn)優(yōu)異。該研究發(fā)表于《Small》2025 年第 2504703 期，提出通過(guò)原子尺度設(shè)計(jì)新型間隔層定制 DJ 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)用策略，為高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)提供了新方向。