麦立强/Edward H. Sargent/李雄/荣耀光，今日Nature Energy！

成果简介

三维（3D）钙钛矿活性层的二维（2D）和准二维修饰在提高钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能方面发挥着极其重要的作用。然而，表面2D和体相3D钙钛矿之间的离子扩散导致3D/2D钙钛矿异质结构的降解，从而限制了PSCs的长期稳定性。

在此，华中科技大学李雄教授和荣耀光副教授，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授，武汉理工大学麦立强教授等人在3D钙钛矿层的顶部加入交联聚合物（CLP），然后通过蒸汽辅助两步工艺沉积2D钙钛矿层，形成3D/CLP/2D钙钛矿异质结构。

光致发光光谱和厚度剖面元素分析表明，CLP通过抑制阳离子（4F-PEA⁺）在2D和3D钙钛矿之间的扩散来稳定异质结构。对于基于碳电极的器件，报道了效率为21.2%的小面积器件和效率为19.6%的微型模块。在最大功率点跟踪和高温单日照照明下，器件在运行4390小时后仍能保持90%的初始性能。

相关论文以“Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance”为题发表在Nature Energy。

研究背景

研究表明，有机-无机混合钙钛矿太阳能电池最近经历了认证功率转换效率（PCEs）的快速上升。同时，许多最好的钙钛矿太阳能电池均采用二维（2D）或准二维修饰的3D钙钛矿异质结构，提供缺陷钝化和有利的带对准，从而可以提高开路电压（VOC）和填充因子（FF）。

这些 3D/2D 钙钛矿异质结构通常是通过在3D钙钛矿上旋涂有机阳离子盐溶液，并在表面上原位形成薄的低维钙钛矿（例如2D和准2D）来制备的。已知表面2D和体相3D 钙钛矿之间的离子扩散在偏置、照明和热量下能够降解3D/2D钙钛矿异质结构。

因此，这些高效PSC在室温下的长期运行稳定性被限制为小于2000小时，在最大功率点（MPP）跟踪和连续照明和高温（≥60 °C）下为~500 小时。

对于钙钛矿吸收层内的离子扩散，通过卤化物成分调整寻求缓解策略。然而，抑制3D和2D钙钛矿之间的离子扩散并稳定3D/2D钙钛矿异质结构仍然是一个持续的挑战。

内容详解

为了构建稳定的3D/2D钙钛矿异质结构，作者建议在3D和2D钙钛矿层之间引入中间夹层。其原因在于：中间层需要有效抑制离子扩散，同时不妨碍3D和2D钙钛矿层之间的电荷传输。对于夹层和二维钙钛矿层的沉积，需要在不降解或损坏下层的情况下操作技术和工艺。

图1. 3D/CLP/2D钙钛矿异质结构的制备和CLP的选择

同时，将小分子与常规聚合物作为夹层进行比较，作者发现高度交联聚合物（CLP）在抑制离子扩散和稳定3D/2D钙钛矿异质结构方面更有效。

本文选择了在中等条件下（≤100°C）下通过乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）和多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）自聚合制备的聚合物，并且不会降解3D钙钛矿的溶液中聚合物层。为简单起见，CLP在下面代表基于POSS-EDMA的聚合物。

同时，作者开发了一种气相辅助两步沉积工艺，在3D钙钛矿/CLP双层上形成2D钙钛矿层，防止了2D钙钛矿沉积过程中底层3D钙钛矿的破坏。

图2. CLP对钙钛矿异质结构的稳定作用

图3. 电荷载流子动力学和器件性能

作者使用3D/CLP/2D钙钛矿异质结构制备了基于碳电极的PSC，效率为21.2%（面积为0.16 cm²），并展示了基于碳电极的PSM，其认证效率为18.2%（面积为17.1cm²）。该电池在单日光照下和60℃下达到4390小时的T90（器件效率降低到初始值的90%），与基于传统3D/2D钙钛矿异质结构的钙钛矿太阳能电池相比，显示出优越的稳定性。

图4. 长循环稳定性测试

总之，本文通过引入高度交联的网络聚合物，成功地抑制了表面2D和体相3D钙钛矿之间的离子扩散，构建了高度稳定的3D/CLP/2D钙钛矿异质结构，并与碳电极结合，制备了效率为21.2%的PSC和效率为19.6%的mini-PSM（认证稳定效率为18.2%），在跟踪和单日照耀下连续运行4390小时后，该设备仍保持其初始性能的90%。

Luo, L., Zeng, H., Wang, Z. et al. Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01205-y

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麦立强/Edward H. Sargent/李雄/荣耀光，今日Nature Energy！

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