有机无机杂化钙钛矿太阳电池(PVSCs)凭借优异的光电性能在光伏领域备受关注。迄今为止，PVSCs的最高认证转换效率(PCEs)已提高到25.5%的认证效率，使其可以与硅基光伏的同类产品相媲美。近年来，二维/三维（2D/3D）钙钛矿材料因其优异的稳定性，结构多样性以及优异的光电性性能，成为了新型PVSCs中的主流半导体吸光材料。然而，有机2D间隔阳离子对2D/3D混合钙钛矿的结晶以及载流子传输特性的影响机制尚未被系统的研究。众所周知，传统2D有机间隔阳离子的引入容易诱导钙钛矿内部形成多重量子阱结构，导致钙钛矿内部无机层之间的电荷传输受阻，进一步影响器件的光电性能。在基于双铵间隔阳离子的Dion-Jacobson (DJ) 型混合2D/3D钙钛矿中体现的尤为明显。

近日，南昌大学/江西师范大学的陈义旺教授和南昌大学的谈利承教授通过采用不同构型的双铵间隔阳离子(包括ODA、TETA和EDOEA) 构建DJ型2D/3D钙钛矿，系统研究了分子构型诱导的结晶动力学和载体动力学的调控机制，以进一步促进2D/3D PVSCs光伏性能。研究发现，EDOEA基间隔阳离子与无机[PbX6]4-笼之间最合适的结合能和氢键结合，有助于实现具有垂直晶体取向的高质量钙钛矿结构和载流子输运的最佳调节。更重要的是，基于EDOEA间隔阳离子的DJ型2D/3D钙钛矿显示出显著改善的稳定性，这是由于钙钛矿薄膜疏水性的改善和离子迁移的抑制。因此，这些优势赋予基于EDOEA的2D/3D钙钛矿未封装的器件在相对湿度为50±5%的空气中老化1560小时后，可保持其初始PCE的82%。这项工作对于设计不同构型的双铵间隔阳离子提供了新的见解，为制备高效稳定的2D/3D钙钛矿太阳能电池用于进一步的商业化应用铺平了一条新的道路。

DFT理论计算表明，基于双铵间隔阳离子2,2-(乙二氧基)双(乙基铵) (2,2'-(ethylenedioxy)bis(ethylamine), EDOEA) 形成的DJ型2D/3D钙钛矿中[PbX₆]^4-平均Pb-I-Pb角最小，使得[PbX₆]^4-晶格的八面体倾斜最小。因此，EDOEA间隔阳离子和无机[PbX₆]^4-晶格之间具有合适的结合能和氢键，从而有助于形成具有垂直晶体取向、缓解晶格畸变和高效载流子传输的高质量钙钛矿薄膜。

论文信息：

Diammonium Molecular Configuration-Induced Regulation of Crystal Orientation and Carrier Dynamics for Highly Efficient and Stable 2D/3D Perovskite Solar Cells

Yang Zhong, Gengling Liu, Yang Su, Wangping Sheng, Lingyun Gong, Jiaqi Zhang, Licheng Tan, Yiwang Chen

本文第一作者为南昌大学硕士研究生钟杨及博士研究生刘庚灵，通讯作者为南昌大学/江西师范大学陈义旺教授和南昌大学谈利承教授。

该研究成果得到了国家自然科学基金（52063019, 51973088, 51833004, U20A20128），江西省“双千计划”科技创新高层次人才项目基金（jxsq2019201107）等项目的资助和支持。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202114588