近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能以驚人的速度增長，經美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證的光電轉換效率已經達到25.2%，可與許多成熟的光伏技術相媲美，鈣鈦礦成為極具潛力的新一代光伏材料。然而，三維有機-無機雜化鈣鈦礦的不穩定性成為限制其商業化應用的主要瓶頸。相較于傳統的三維有機-無機雜化鈣鈦礦，二維有機-無機雜化鈣鈦礦具有較好的穩定性，是解決鈣鈦礦穩定性問題的重要方法。但是大尺寸有機陽離子的引入，使得材料的載流子傳輸受限，導致二維有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率較低，限制了其進一步發展。而且關于二維鈣鈦礦中激子遷移和分離的機制仍然是一個有爭議的問題。因此，探索開發更**的二維鈣鈦礦材料以及深刻理解電荷載流子的分離和傳輸機制對于進一步提高二維鈣鈦礦太陽能電池的性能以及其日后商業化具有重要意義。

近日，南開大學劉永勝教授團隊開發了兩種多環芳香族胺間隔陽離子，即1-萘甲胺陽離子（NpMA）和9-蒽甲胺陽離子（AnMA），制備了**率且高穩定性的太陽能電池器件。研究發現在鈣鈦礦薄膜中，不同的層狀二維相和三維相共存。通過核磁共振氫譜分析，研究人員證實了有機間隔陽離子與無機層之間存在強氫鍵相互作用。通過對鈣鈦礦中的相分布和晶體取向的研究有助于深刻理解多環芳香族胺（NpMA和AnMA）對二維鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。研究人員通過使用高分辨率透射電子顯微鏡和超快速瞬態吸收光譜來研究二維鈣鈦礦的相分布和電荷載流子動力學，二維相和三維相之間的超快激子遷移過程可以實現**的激子分離，電荷傳輸和收集。經過優化，基于NpMA-Pb的器件能量轉換效率高達17.25％，是**報道的二維 RP鈣鈦礦太陽能電池(n < 5)的**率之一；獲得1.24 V的高開路電壓，是目前基于PEDOT：PSS的反式二維鈣鈦礦太陽能電池的更高值。基于AnMA-Pb的器件能量轉換效率為14.47%。此外，由于多環芳香族胺間隔陽離子的**疏水性以及有機間隔基陽離子（NpMA和AnMA）與無機層之間的強氫鍵相互作用，與三維鈣鈦礦太陽能電池相比，二維RP 鈣鈦礦太陽能電池顯示出**增強的穩定性。相關成果近期以“Phase Distribution and Carrier Dynamics in Multiple-Ring Aromatic Spacers-Based Two-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells”發表在國際**期刊ACS Nano上。

本文開發了兩種用于二維RP鈣鈦礦太陽能電池的多環芳香族胺間隔陽離子(NpMA和AnMA)，并制備了**穩定的鈣鈦礦太陽能電池。由于二維相和三維相之間的超快激子遷移過程，基于(NpMA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=4）的器件顯示出1.24 V的高開路電壓，能量轉換效率高達17.25％；基于(AnMA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=4）的器件能量轉換效率為14.47%。同時，與三維鈣鈦礦太陽能電池相比，二維RP 鈣鈦礦太陽能電池顯示出**增強的穩定性。該研究有助于深入理解二維RP鈣鈦礦太陽能電池的工作機制，并為進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性提供**的途徑。

文獻鏈接：

Phase Distribution and Carrier Dynamics in Multiple-Ring Aromatic Spacers-Based Two-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells （ACS Nano, 2020, https://doi. org/10.1021/acsnano.0c00875）