破记录！她，钙钛矿电池领军人物，最新Nature子刊！

研究背景

低维钙钛矿（LDPs）由于其独特的光学性能和带隙调节能力，成为探索光-物质相互作用和量子限制现象的材料。目前，具有宽能带间隙，易于结构调控的高n值LDPs（n是八面体片的数量）由于其高的能量转化效率，已经成功应用于钙钛矿太阳能电池。然而，对于低n值的LDPs，其生长一般平行于基材或者随机分布，该现象使电荷转移受阻，导致低n值的LDPs转换效率较低。

成果简介

基于此，意大利帕维亚大学Giulia Grancini团队在Nature Communication发表题为“Vertically oriented low-dimensional perovskitesfor high-efficiency wide band gap perovskite solar cells” 的最新论文。该团队通过在前驱体溶液中添加氯（Cl）来诱导LDPs中晶体垂直生长，从而克服电荷传输限制，与 3D 卤化物钙钛矿 (APbX3) 相比，该团队发现 Cl 取代了晶胞赤道位置的 I，在钙钛矿八面体中引起垂直应变，这对于诱发垂直生长至关重要。

LDPs中垂直排列的晶体有效提高了太阳能电池的工作效率，在 1.4 V 开路电压下实现了创纪录的 9.4% 的功率转换效率，这是 2 eV 宽带隙设备的最高记录。这项研究对低 n值LDPs 中晶体调控提供了原子尺度的见解并为太阳能设备的发展提供了新的思路。

研究亮点

1. 通过诱导低维钙钛矿（LDPs）的垂直晶体生长，克服了低 n值LDPs 的电荷传输限制。在 1.4 V 开路电压下实现了创纪录的 9.4% 的功率转换效率，这是 2 eV 宽带隙设备的最高记录。

2. 本文采用多种先进的表征手段深入研究了垂直取向 LDPs 薄膜的晶体结构、成分分布和相纯度。利用密度泛函理论（DFT）计算和光学泵浦太赫兹探针光电导光谱等技术，研究了垂直取向 LDPs 薄膜的电子结构和电荷载流子迁移率，为本领域引入新的研究思路。

图文导读

图1 LDPs 薄膜的优先水平和垂直取向

低n 值LDPs的常用的制备方法为先将前驱体粉末按照化学计量比溶解在二甲基甲酰胺（DMF）中，然后进行旋涂和退火。采用这种方法制备的LDPs中的晶体是平行于基体排列的。本研究采用部分甲胺碘化物（MAI）被甲胺氯化物（MACl）取代的方式，按不同浓度进行制备，其中30:70的比例（MAI:MACl）最佳，同时在沉积前对混合前驱体溶液在60 °C下进行退火2 h。MAI的占比对应于钙钛矿配方中I被Cl取代的总量。当引入10% Cl时，GIWAXS图谱发生了显著变化，显示（0k0）晶面反射沿qy方向排列。这表明晶体取向发生了变化，导致LDPs中晶体相对于基底垂直排列。

图 2光学和光电导测量

不同样品的吸收光谱是相同的，均显示出在2.1 eV处有一个明显的吸收峰并且在567 nm处有一个清晰的特征峰，这是典型的n = 2的 LDPs的特征。为研究晶体垂直分布对电荷传输性能的影响，首先通过密度泛函理论（DFT）计算分析了TMA₂MAPb₂I₇的电子结构。TMA₂MAPb₂I₇在Γ点位具有直接带隙，对称方向Γ-Y的平坦能带表明PbI₆平面垂直方向分布有大量的载流子，而沿Γ-Δ0和Γ-Z方向的较分散的能带则表明在平面内载流子分布较少。上述结果表明，通过使LDPs中晶体垂直生长，可以显著提升载流子的传输性能。

图3 氯离子在晶体结构中的掺入

为什么添加Cl会对引导垂直结晶产生如此强烈的影响？对于标准的MAPbX3钙钛矿而言，采用MACl辅助的钙钛矿结晶有利于α相的形成，并且Cl在制备过程中会升华。对照样品中不存在Cl，而在LDPs中晶体垂直生长的样品中，Cl呈现梯度分布。说明Cl取代了部分赤道位置的I，从而在八面体中产生应变，进而使晶体沿垂直方向生长。这种垂直压缩诱导了晶体取向的转变，使其垂直排列。

图4 钙钛矿太阳能电池（PSCs）和半透明器件的光伏性能

将垂直取向的低n值LDPs薄膜集成到钙钛矿太阳能电池中（PSC），展示了LDPs太阳能电池的简单应用，并突破目前文献报道中的性能极限。水平PSC的能量转换效率为0.8%，由于电荷传输障碍，短路电流密度显著受限。相比之下，垂直器件的PCE达到9.4%，远远优于水平器件，JSC为10.6 mA/cm²，填充因子为63.2%，开路电压为1.40 V。这一概念验证器件展示了迄今为止报道的最高的光伏参数，特别是对于带隙为2 eV的LDPs。为了扩大应用范围，在半透明器件中测试了垂直低n值 LDP的性能，通过采用氧化铟锌透明电极替代不透明的银电极。光透射分析显示，该器件在>620 nm区域的透过率超过80%，计算出的器件平均可见光透射率为31%，符合集成光伏应用的要求。器件的开路电压为1.26 V、短路电流密度为7.3 mA/cm²、填充因子为50%、能量转换效率为4.6%，光利用因子为1.86%，与先前报道的基于3D钙钛矿的半透明器件水平相当。

结论展望

本文研究表明，低n 值的LDPs 可以有效地成为宽带隙太阳能电池应用的突破口。这一方法通过实现低n 值LDPs薄膜及其无机骨架的垂直结晶，使得电荷传输更加高效。通过实验和理论模拟证明Cl掺入晶胞结构并取代I的位置可产生垂直应变，进而诱导了晶体的定向生长。将上述材料集成到实际的太阳能电池中时这种垂直取向得以保持，使低n值 LDPs太阳能电池展示出高的功率转换效率。这一概念为可见光采集提供了可行的替代方案。

文献信息

Vertically oriented low-dimensional perovskitesfor high-efficiency wide band gap perovskite solar cells. Nature Communications