近日，电子科技大学材料与能源学院刘明侦教授团队在国际著名期刊ACS Energy Letters（《美国化学学会能源快报》）上发表题为“Effects of Alkyl Chain Length on Crystal Growth and Oxidation Process of Two-Dimensional Tin Halide Perovskites”（烷基链长对二维锡卤钙钛矿晶体生长与氧化过程的影响）的研究论文。材料与能源学院为论文第一通讯单位，刘明侦教授为唯一通讯作者，副研究员李发明和硕士研究生谢毅然为共同第一作者。
发展可持续能源是当今环境科学研究的热点，钙钛矿太阳能电池由于其优越的光电性能、低廉的制造成本以及可媲美硅基光伏电池的光电转换效率受到了越来越多的关注。图一为钙钛矿太阳能电池结构，主要包含电荷传输层和光吸收层，其中光吸收层采用具有ABX3结构的钙钛矿材料。在众多钙钛矿材料中，FASnI3钙钛矿由于锡的低毒性，且拥有更窄的光学带隙和更高的载流子流动性，成为了开发高性能无铅钙钛矿太阳能电池的良好选择。但是Sn2 在空气中不稳定，会自发氧化成Sn4 ，这一过程会破坏钙钛矿结构的电中性和稳定性。为了解决这一问题，引入有机间隔阳离子来提高钙钛矿稳定性和器件性能已成为解决问题。有机间隔阳离子的大小和结构对钙钛矿的性质有显著的影响。然而，有机间隔阳离子在调节晶体取向和保护Sn2 不被氧化方面的作用尚不清楚，这阻碍了锡基钙钛矿的发展。
图一 锡基钙钛矿太阳能电池的结构示意图和SEM截面图
在该论文中，研究者通过应用烷基胺间隔阳离子（丁胺离子CH3(CH2)3NH3 、辛胺离子CH3(CH2)7NH3 和十二胺离子CH3(CH2)11NH3 ）设计了具有不同烷基链长度的二维锡基钙钛矿。图二描述了二维锡基钙钛矿薄膜的制备过程、晶体形貌特征。研究人员证明了不同烷基链长度对二维锡基钙钛矿薄膜的晶体取向、尺寸和生长分布有显著影响。在图二中，利用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）表征发现，烷基链较短的阳离子更有利于产生高度定向和有序生长分布的晶粒，并且会促进二维锡基钙钛矿薄膜的晶体垂直生长。较长的烷基链则会促进晶体平行生长，而垂直生长的晶体有利于抑制Sn2 的氧化，改善载流子的输运。
图二 钙钛矿薄膜的GIWAXS图像以及钙钛矿BA2FAn-1SnnI3n 1在n=2和n=4的(020)与(111)晶面平面示意图
再结合光致发光（PL）光谱和紫外可见吸收光谱（UV-Vis）表征发现，钙钛矿薄膜层的上下表面晶体尺寸和生长分布不同，如图三所示。另外，采用短烷基链的有机间隔阳离子，如丁胺离子，也提供了优异的光伏器件性能。该项研究揭示了烷基链长度在稳定锡基钙钛矿薄膜中发挥着重要作用，为深入理解二维钙钛矿薄膜的取向生长提供了重要依据。
图三 钙钛矿薄膜的PL图和UV-Vis图以及钙钛矿薄膜的晶体生长示意图
ACS Energy Letters刊登的研究成果涉及能源转换和存储的所有方面，报告领域内取得的重大进展。刘明侦教授团队主要从事新能源材料及光电子器件研究，主要研究方向有高效率有机-无机杂化、全无机、无铅锡基钙钛矿太阳能电池以及钙钛矿发光和探测器器件的的研发和应用。近年来，该团队已在Nano Energy, iScience, Journal of Materials Chemistry A, Advanced Science等国际著名期刊上发表多篇论文。
来源 电子科技大学新闻中心
论文连接：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00286
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