北京同步辐射装置助力甲脒基有机半导体配体调控二维钙钛矿太阳能电池研究取得新进展

为了研究不同有机半导体配体对钙钛矿结晶动力学的影响，南开大学研究人员联合中国科学院高能物理研究所陈雨副研究员依托北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站，开展了掠入射广角X射线散射（GIWAXS）原位变温测试，探究了TTFA-Pb和BTFA-Pb由溶胶-凝胶到钙钛矿的成核机理和结晶动力学。发现TTFA有机配体通过在前驱体溶液中形成更大的团簇，降低成核能垒，诱导晶体的成核和定向生长，从而大大提高薄膜质量。得益于提升的薄膜形貌，降低的激子结合能和非辐射复合，(TTFA)2MAn−1PbnI3n+1 (n = 5)的光伏器件获得了19.41%的光电转化效率(PCE)，这是FA基有机配体的2D RP 钙钛矿太阳能电池的纪录值。该工作为理解2D RP钙钛矿薄膜的成核和生长过程提供了重要依据，并突出了基于FA的半导体配体材料在高效2D 钙钛矿太阳能电池中的巨大潜力。

相关工作于10月27日以“Nucleation and Crystallization in 2D Ruddlesden-Popper Perovskites using Formamidinium-based Organic Semiconductor Spacers for Efficient Solar Cells”为题发表于国际顶级材料综合期刊《Angewandte Chemie》上（DOI: 10.1002/anie.202314690）。第一作者为南开大学博士研究生王瑞和董西悦，通讯作者为南开大学刘永胜教授和中国科学院高能所陈雨副研究员。

相关背景：具有大块有机配体的层状二维（2D）钙钛矿与3D钙钛矿相比，表现出更好的内在环境稳定性。然而，由于无序的晶体取向和量子限域效应，2D钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率（PCE）仍低于3D PSCs。开发合适的大块有机配体调节晶体取向，改善薄膜形貌和降低激子结合能（Eb）是获得高效稳定的2D PSCs的有效策略。

二维Ruddlesden-Popper （RP）钙钛矿的化学式为(L)2(A)n-1BnX3n+1，其中n表示角共享[BX6]4-八面体层数。A、B和X分别表示一价有机阳离子、二价金属阳离子和卤素阴离子，L是大体积的有机配体。共轭有机半导体配体在二维钙钛矿中引起了广泛的关注，而甲眯（FA）作为A位阳离子在高性能三维钙钛矿太阳能电池中也得到了广泛的应用。然而，FA基有机配体在2D)RP钙钛矿中却很少被研究。鉴于此，南开大学刘永胜课题组设计了两种基于FA的有机间隔配体，分别含有稠环双噻吩（TTFA）和非稠环双噻吩单元 （BTFA），用于2D RP PSCs。

BTFA-Pb和TTFA-Pb薄膜的原位GIWAXS以及二维RP钙钛矿结晶过程的示意图