二维钙钛矿，特别是Ruddlesden–Popper（RPP）结构二维钙钛矿，由于其结构可变性和良好的环境稳定性引起了广泛关注。但是，二维钙钛矿太阳能电池中的电荷分离和传输受到钙钛矿加工过程中形成的量子阱势垒的影响，使得其载流子寿命和迁移率远低于3D结构，导致其器件光电转化效率明显低于3D钙钛矿。与三维钙钛矿薄膜的制备方法相似，二维钙钛矿薄膜通常也是采用特定化学计量比配制的前驱体溶液进行制备，但二维钙钛矿薄膜实际由不同n值相（不同层数）二维钙钛矿组成，因此二维钙钛矿膜中不同n值的相组分和分布对于电荷的分离、传输有重要影响，如何精准调控二维钙钛矿的相组成和分布仍是巨大难题。

最近，南昌大学姚凯副教授课题组报道了一种用于精确控制RPP薄膜中相组分和分布的通用方法。不同于常规的化学计量比的配制方案，本工作选用基于芳环有机胺的RPP型二维钙钛矿单晶（主要以2-噻吩乙胺，TEA为代表结构）直接溶解在溶剂中制备前驱体溶液。由于钙钛矿前驱体溶液具有胶体性质，可选择合适的溶剂进行配位工程，以调节胶体性质。为了研究溶剂极性差异对胶体性能的调控，作者在DMAc主溶剂中选择了添加两种代表性的助溶剂，强配位的DMSO和弱配位的甲苯（TOL）。动态光散射的结果表明，引入DMSO助溶剂的胶体尺寸缩小；相反，在TOL助溶剂的作用下，胶体表现出更大的尺寸，当同时辅助添加微量HI后该现象更明显，因为HI可以进一步削弱DMAc与Pb²⁺的配位能力，整个前驱体溶液中无小尺寸的胶体。同时，在溶剂工程作用下，吸收光谱表明前驱体溶液中胶体结构发生了不同转变，引入DMSO助溶剂的胶体发生了蓝移，表明胶体中形成了中间配合物，而引入TOL（HI）助溶剂保证了胶体不会过度解离，能够基本保留原始二维钙钛矿的结构（图1）。

图1. 二维钙钛矿单晶前驱体溶液在不同溶剂中胶体特性及相应薄膜的结晶示意图

胶体性质（尺寸和结构）会极大的影响RPP薄膜特性（相组分和分布，以及晶体取向），瞬态吸收光谱和荧光光谱研究表明，在非极性助溶剂TOL(HI)中，原始结构的胶体使RPP晶体优先沿垂直方向有序排列生长，并在目标值附近出现窄的相分布，从而实现有效的电荷传输和提取。相反，在极性助溶剂中，由于金属卤化物的强配位能力，溶液中形成络合物，结晶时容易转化为热力学有利的低n相和正无穷相无序宽分布，且上表面会覆盖大量的MAPbI₃，这显然不利于器件的稳定性。因此采用DMAc:TOL(HI)的溶剂组合不但可以提高器件的光电转换效率，还可以提高器件的稳定性，基于此方法制备的(TEA)₂(MA)₂Pb₃I₁₀光伏器件效率可达14.68％，未密封器件在空气中工作500h后，仍保持93％的初始效率。本工作表明二维钙钛矿的相调控（组分和分布）对整个二维钙钛矿太阳能的发展起到了关键作用。

图2. 二维钙钛矿薄膜的相组成和分布示意图以及二维钙钛矿太阳能光电性能的表征结果

以上研究结果近期发表在Advanced Energy Materials 期刊上，并被选为inside Front Cover，本论文第一作者为南昌大学材料科学与工程学院硕士研究生秦媛和钟鸿杰，南昌大学姚凯副教授﹑香港城市大学的Alex K.-Y. Jen教授和河南师范大学秦朝朝副教授为共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（基金号：61874052, 51863013）等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Coordination Engineering of Single-Crystal Precursor for Phase Control in Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells

Yuan Qin, Hongjie Zhong, Jeremy J. Intemann, Shifeng Leng, Minghuan Cui, Chaochao Qin, Min Xiong, Feng Liu, Alex K.-Y. Jen, Kai Yao

Adv. Energy Mater., 2020, 16, 1904050, DOI: 10.1002/aenm.201904050

姚凯博士简介

姚凯，南昌大学光伏研究院副教授，博士生导师，组件独立科研团队。研究领域面向新型太阳能电池材料的制备、及其器件的应用研究。在相关领域发表SCI论文40余篇，包括以通讯作者发表在Joule，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Nano等期刊上，SCI他引1800余次。