三維金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)電池效率已突破23%，但是穩(wěn)定性問(wèn)題依然是限制其進(jìn)一步商業(yè)化的瓶頸。近年來(lái)，穩(wěn)定性更佳的準(zhǔn)二維層狀鈣鈦礦成為太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，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(duì)此問(wèn)題，黃維院士和王建浦教授團(tuán)隊(duì)利用3溴苯甲胺制備了高結(jié)晶性、低缺陷的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜。該薄膜上層是高度取向生長(zhǎng)的三維鈣鈦礦組分，其較小的帶隙和低的激子束縛能可實(shí)現(xiàn)低能太陽(yáng)光子利用和高效電荷分離。薄膜底部是豎直生長(zhǎng)的寬帶隙鈣鈦礦組分，有利于實(shí)現(xiàn)高效的電荷傳輸。基于這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，實(shí)現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)18.2%的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池。未封裝器件在40%相對(duì)濕度的大氣環(huán)境下老化2400小時(shí)，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(méi)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(dá)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(dá)96小時(shí)，刷新了鈣鈦礦發(fā)光二極管穩(wěn)定性的世界紀(jì)錄。該研究表明，基于3溴苯甲胺的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料有望實(shí)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(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。
該研究工作得到了國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中歐合作項(xiàng)目、國(guó)家基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目等大力支持。
