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英文原題：Orbital Interactions in 2D Dion-Jacobson Perovskites using Oligothiophene-based Semiconductor Spacer Enable Efficient Solar Cells

【DFT+實驗】南開大學(xué)劉永勝團隊Nano Lett. | 基于寡聚噻吩配體的二維DJ鈣鈦礦太陽能電池

通訊作者：劉永勝，南開大學(xué)

作者：Xiyue?Dong (董西悅),?Rui?Wang (王瑞)

背景介紹

近年來，二維鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的環(huán)境和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而獲得廣泛的研究和關(guān)注。鑒于傳統(tǒng)有機配體材料的絕緣性質(zhì)，二維鈣鈦礦被認(rèn)為具備天然的多量子阱結(jié)構(gòu)，使得載流子只能被限制在無機鉛碘八面體層中傳輸。當(dāng)前廣泛研究的主要是RP型（單銨配體）和DJ型（雙銨配體）的二維鈣鈦礦。由于有機層和無機層在電荷傳輸特性上存在差異，因此二維鈣鈦礦通常呈現(xiàn)出各向異性的電荷傳輸性能。換言之，載流子能夠有效地在in-plane方向（無機鉛碘八面體層）進行傳輸，但在out-of-plane方向（垂直于無機鉛碘八面體層）則無法進行傳輸。此外，由于有機配體層電導(dǎo)率或絕緣特性的差異，二維鈣鈦礦表現(xiàn)出較大的激子結(jié)合能，這些因素都不利于電荷的有效分離和傳輸，從而制約了其光伏效率的提升。當(dāng)前，基于有機半導(dǎo)體配體的研究已經(jīng)引起一定關(guān)注，然而相關(guān)研究仍相對有限，對有機層與無機層之間的相互作用尚需進一步深入探討。

圖1.（a）二維鈣鈦礦各向異性的電荷傳輸性質(zhì)及其設(shè)計理念。（b）具有相似分子長度的有機配體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

文章亮點

近日，南開大學(xué)劉永勝教授在Nano Letters上報道了一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的三噻吩二甲銨（3ThDMA）有機配體材料并將其應(yīng)用于二維鈣鈦礦材料及太陽能電池。相對于基于具有相同鏈長度的1,11-十一烷二銨（UDA）配體的二維DJ鈣鈦礦，基于3ThDMA的二維DJ鈣鈦礦展現(xiàn)了有機層和無機層之間的軌道耦合相互作用。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，3ThDMA有機配體材料直接參與了二維鈣鈦礦能級的形成。此外，通過光致發(fā)光（PL）測試結(jié)果揭示，基于UDA的二維鈣鈦礦薄膜（n=1）具有明顯的介電/量子限域效應(yīng)，呈現(xiàn)強烈的熒光發(fā)射。然而，相比之下，3ThDMA的二維鈣鈦礦薄膜（n=1）的熒光發(fā)射強度極弱，這意味著傳統(tǒng)的量子限域效應(yīng)被突破，使得載流子能夠在有機層和無機層之間進行傳輸。由此帶來的好處是，基于3ThDMA的二維DJ鈣鈦礦（n=1）在out-of-plane方向上的導(dǎo)電性和遷移率得到提高，有助于提升二維鈣鈦礦太陽能電池的性能。

圖2.（a）DFT計算(UDA)PbI₄和(3ThDMA)PbI₄的能量分布。（b）(3ThDMA)PbI₄的軌道分辨COHP。（c）從COHP計算中提取的能級示意圖。鍵合相互作用用黃色陰影表示，反鍵相互作用用藍色陰影表示。（d）(UDA)PbI₄?和(3ThDMA)PbI₄的穩(wěn)態(tài)PL光譜。（e）相應(yīng)器件的遷移率統(tǒng)計圖。

基于寡聚噻吩配體3ThDMA的二維DJ鈣鈦礦太陽能電池（n=5）取得了超過了15%的能量轉(zhuǎn)化效率，遠遠高于基于具有相似分子長度的UDA器件（僅實現(xiàn)11.50%）。該效率是基于長共軛有機配體材料（共軛環(huán)≥3）的二維鈣鈦礦太陽能電池的最高值。這一性能提升的原因在于，基于3ThDMA的二維鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)出更強的結(jié)晶性、更優(yōu)異的薄膜質(zhì)量以及更好的晶體取向。此外，其二維鈣鈦礦薄膜還表現(xiàn)出更高的載流子遷移率、更低的缺陷態(tài)密度、更大的介電常數(shù)以及更長的載流子壽命。這些優(yōu)勢特性共同促成了器件效率的提高。

總結(jié)/展望

劉永勝教授研究團隊成功開發(fā)出一種基于寡聚噻吩的有機配體材料（3ThDMA），并證明了相應(yīng)二維鈣鈦礦中有機層與無機層之間具有強烈的軌道耦合作用，有機配體參與了其帶隙的形成，打破了DJ鈣鈦礦中的量子限域效應(yīng)，從而促進了載流子在out-of-plane方向的傳輸。與基于UDA的二維DJ鈣鈦礦太陽能電池相比，基于3ThDMA的二維DJ鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出了卓越的性能，光電轉(zhuǎn)化效率達到了15.25%。這標(biāo)志著在基于長共軛有機配體材料（共軛環(huán)≥3）的二維鈣鈦礦太陽能電池效率方面取得了新的突破。這項研究深入探討了基于有機半導(dǎo)體配體的二維鈣鈦礦中的量子限域破缺現(xiàn)象，為進一步提升二維鈣鈦礦材料和器件的光電性能提供了新思路。

相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，南開大學(xué)博士研究生董西悅、王瑞為文章的第一作者，劉永勝教授為通訊作者。

通訊作者信息：

劉永勝?南開大學(xué)

劉永勝：南開大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要從事有機和有機/無機雜化光電功能材料和器件的探索及應(yīng)用研究，特別是高性能鈣鈦礦太陽能電池材料與器件、近紅外有機太陽能電池材料與器件，以及集成鈣鈦礦—有機太陽能電池。近年來，在Science, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., Chem. Rev.等國際權(quán)威期刊發(fā)表研究論文100余篇，累計被引用20000余次， H因子52。2018-2023年連續(xù)六年入選科睿唯安（Clarivate)“全球高被引學(xué)者”。

掃描二維碼閱讀英文原文

Nano Lett.?2023, ASAP

Publication Date: December 19, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03887

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