三維金屬鹵化物鈣鈦礦太陽電池效率已突破23%，但是穩(wěn)定性問題依然是限制其進一步商業(yè)化的瓶頸。近年來，穩(wěn)定性更佳的準二維層狀鈣鈦礦成為太陽電池領(lǐng)域的研究熱點，然而大的帶隙、高的激子束縛能以及較差的層間電荷傳輸性質(zhì)限制了器件效率的提升。
針對此問題，黃維院士和王建浦教授團隊利用3溴苯甲胺制備了高結(jié)晶性、低缺陷的準二維鈣鈦礦薄膜。該薄膜上層是高度取向生長的三維鈣鈦礦組分，其較小的帶隙和低的激子束縛能可實現(xiàn)低能太陽光子利用和高效電荷分離。薄膜底部是豎直生長的寬帶隙鈣鈦礦組分，有利于實現(xiàn)高效的電荷傳輸。基于這種獨特結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換效率達18.2%的準二維鈣鈦礦太陽電池。未封裝器件在40%相對濕度的大氣環(huán)境下老化2400小時，效率仍保持初始值的82%。更重要的是，將未封裝器件浸入水中60秒，其參數(shù)幾乎沒有變化，展現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性。此外，該器件也能作為發(fā)光二極管很好的工作，外量子效率可達3.85%。在大氣環(huán)境下，未封裝器件在200 mA cm-2大電流密度下壽命達96小時，刷新了鈣鈦礦發(fā)光二極管穩(wěn)定性的世界紀錄。該研究表明，基于3溴苯甲胺的準二維鈣鈦礦材料有望實現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦光電器件，而精確調(diào)控鈣鈦礦薄膜生長是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵因素之一。
該研究工作得到了國家重大科學研究計劃項目、國家重點研發(fā)計劃中歐合作項目、國家基金委重大研究計劃集成項目、國家杰出青年基金項目等大力支持。
