二维Ruddlesden–Popper(RP)钙钛矿具有优异的环境和结构稳定性，在钙钛矿太阳能电池中显示出巨大的应用潜力。然而，二维钙钛矿太阳能电池相对较差的能量转换效率限制了其进一步应用。为了解决这个问题，南开大学材料科学与工程学院的龙官奎研究员联合南开大学化学学院的陈永胜教授和刘永胜研究员设计合成了一种新型间隔阳离子β-氟苯基乙胺(β-FPEA)，进而开发出了高效且稳定的反式准二维(n = 5)钙钛矿太阳能电池。

结合理论计算与实验数据，研究人员发现β-FPEA的加入增强了阳离子和[PbI6]4?八面体之间的相互作用，促进了钙钛矿的激子解离，优化了能级排列，稳定了二维钙钛矿膜的混合相和α-FAPbI3相，延长了载流子扩散长度，增加了载流子寿命并降低了陷阱密度。研究人员依托北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站的广角掠入射X射线散射(GIWAXS)测试对β-FPEA基钙钛矿薄膜的取向和结晶性进行了系统研究，发现基于β-FPEA的钙钛矿薄膜具有垂直于基底生长的优势取向和更强的结晶性(如图所示)。通过这种策略，基于β-FPEA阳离子的钙钛矿太阳能电池在PEDOT:PSS基底上实现了16.77%的光电转换效率(相同条件下，基于苯乙胺PEA的准二维钙钛矿太阳能电池只有12.81%的光电转换效率)，并在PTAA基底上实现了19.11%的冠军效率。此外，基于β- FPEA阳离子的未封装钙钛矿太阳能电池器件在热稳定性和湿稳定性方面都有显著性的改善。这些发现为开发高性能准二维钙钛矿太阳能电池提供了新的思路和策略。

相关工作于2月6日以“Highly Efficient and Stable FA-Based Quasi-2D Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells by the Incorporation of β-Fluorophenylethanamine Cations”为题发表于国际顶级材料综合期刊《Advanced Materials》上(DOI:10.1002/adma.202210836)。

图 基于苯乙胺(PEA)和β-氟苯基乙胺(β- FPEA)的准二维钙钛矿薄膜的X射线衍射谱图，二维-广角掠入射X射线散射谱图，导电原子力显微镜和透射电镜谱图。