科学网—中石大邢伟/大湾区大学刘少敏等综述：有机间隔阳离子结构调控助力高性能Ruddlesden–Popper钙钛矿太阳能电池
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2024-11-25 15:31
| 系统分类: 论文交流
研究背景
层状结构的Ruddlesden–Popper(RP)钙钛矿(RPP)因其优良的稳定性引起了光伏领域研究者的极大兴趣，为促进钙钛矿太阳能电池(PSC)技术的发展带来了希望。然而，二维(2D)或准二维的RP钙钛矿太阳能电池(PSCs)面临激子结合能大、电荷传输受阻和薄膜质量差等关键问题，限制了它们的光伏性能。庆幸地是，这些问题都可以通过合理设计RPPs的间隔阳离子结构来轻松解决。
Molecular Structure Tailoring of Organic Spacers for High㏄erformance Ruddlesden–Popper Perovskite Solar Cells
Pengyun Liu, Xuejin Li, Tonghui Cai, Wei Xing*, Naitao Yang, Hamidreza Arandiyan, Zongping Shao, Shaobin Wang, Shaomin Liu*
Nano-Micro Letters (2025)17: 35
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01500-7
本文亮点
1. 总结了RP钙钛矿中的 有机间隔阳离子 在调控 RP钙钛矿 薄膜结晶动力学、电荷传输能力和稳定性方面起到的重要作用。
2. 阐明了设计有机间隔阳离子时应该考虑的 关键因素 。
3. 提出了在寻求 高性能 RP钙钛矿太阳能电池方面的实用的有机间隔阳离子 结构设计策略 。
内容简介
在这篇综述中， 中国石油大学(华东)邢伟、大湾区大学刘少敏 等人关注于如何设计有机间隔物的分子结构，解决上述提及的关键问题，提升RP PSCs的光伏性能。首先，我们阐明了有机间隔物在影响RPPs结晶动力学、电荷传输能力和稳定性方面发挥的重要作用。然后，我们提出了设计有机间隔阳离子应该重点考虑的三个方面。最后，我们以提升RP PSCs的光伏性为目标，提出了五种RPPs有机间隔阳离子的的结构设计策略。本综述中提出的这些策略将为开发新型有机间隔阳离子提供新的思路，并推动RPP光伏技术的发展。
图文导读
I 引言
在回顾这一领域近期进展时，一些研究者特别强调了有机间隔阳离子工程在提高RP PSCs的光伏性能方面的重要性。然而，针对如何设计有机间隔阳离子以改善RP PSCs的性能，现在仍缺乏明确的分子结构设计策。基于此，本综述着重探讨如何合理设计有机间隔阳离子结构以提升RP PSCs的光伏性能。在本综述中，我们简要介绍了有机间隔阳离子在影响RPP结晶动力学、电荷传输能力和稳定性方面的重要作用，重点强调了有机间隔阳离子如何发挥作用以及对这些方面的影响。然后，我们聚焦有机间隔阳离子的结构设计，首先我们指出了在设计有机间隔阳离子时需考虑的一些重要因素。接着，我们提出了明确的有机间隔阳离子结构设计策略，旨在提升RP PSCs的光伏性能。最后，我们对RP PSCs的未来的发展提出了一些见解。
I I 有机间隔物的作用
这一部分主要阐明了有机间隔阳离子在调控结晶动力学、管理电荷传输能力和影响RPP薄膜稳定性方面的重要作用，重点阐述了有机间隔阳离子是如何在这些方面发挥作用的。
2.1 控制结晶动力学
有机间隔阳离子的结构刚性、尺寸和烷基链长度以及官能团类型对RPP薄膜的结晶过程，包括前驱体溶液化学、成核过程、结晶速率、晶体生长方向、相分布等方面有显著影响。
2.2 管理电荷传输能力
有机间隔阳离子的结构对RPP的面内和面外电子传输都有很大影响。面内传输主要指电荷在无机层内传输，其传输能力与[PbX₆]⁴⁻无机八面体的结构有关，有机间隔阳离子会影响无机八面体的畸变程度进而影响电荷在无机层内的传输。面外传输主要指电荷从一个无机层跨过有机层传输到另一个无机层，这种跨层的面外电荷传输主要受到有机障碍层宽度和能垒高度的影响，这两个方面与有机间隔阳离子的尺寸和能级结构是密不可分的。
2.3 影响RPP稳定性
RPP薄膜的稳定性受到间隔阳离子疏水性、晶格稳定性以及薄膜缺陷密度的影响，而间隔阳离子与这些方面密切相关。设计间隔阳离子结构使其具有更强的疏水性、与无机层形成更强的氢键、减少[PbX₆]⁴⁻无机八面体的畸变程度、以及在相邻有机层间形成更强的分子间相互作用力是增强RPP薄膜稳定性的可行途径。此外，调控有机间隔阳离子的结构，使其具有自钝化功能可以减少缺陷密度，有利于薄膜稳定性。
I I I 为高效RP PSCs设计合理有机间隔物
3.1 有机间隔物的设计考虑
设计有机间隔阳离子结构时要着重考虑其空间构型、偶极矩大小和相邻有机层之间的分子间作用力，这些因素密切影响着有机间隔阳离子在调控结晶动力学、管理电荷传输和稳定性方面的作用。
3.2 有机间隔阳离子的结构设计策略
考虑到有机间隔阳离子在调控薄膜质量、优化光电性质和稳定性方面的重要作用，本文提出了明确的有机间隔阳离子结构设计策略，旨在助力RP PSCs实现高的光电转化效率和优异的稳定性。提出的五种策略以及所设计的间隔阳离子的结构如图1所示。
图1. 有机间隔阳离子的结构设计策略以及根据这些策略设计的有机间隔阳离子的化学结构。
策略一： 在烷烃环或者芳烃环中引入杂原子 (N、O、S、Se)
策略二： 适当延长π-共轭长度 (双键与苯环共轭、联苯结构、苯并结构)
策略三： 丰富氨基端官能团 (=NH₂、-NH-、-F、-CH ₃)
策略四： 功能化非氨端 (-F、-Cl、-Br、-COOH、-CONH₂、-COO-、-S-、-OH)
策略五： 调节烷基链长度/有机间隔离子尺寸 ( 调节碳数、引入双键或三键、直链变支链调节空间构型)
I V 总结与展望
通过采用这些策略来设计有机间隔阳离子，RP PSCs在光电转化效率以及稳定性方面将得到显著提升。但是，其商业化发展过程仍存在很大提升空间。我们针对RP PSCs未来的发展提出了一些建议：（1）可以通过多种策略的协同作用，开发设计更多新型的有机间隔阳离子；2）目前的大部分工作都集中于一元有机间隔阳离子上，而针对二元有机间隔阳离子的新型RPP的设计将有可能为光伏性能的提升带来新的希望；3）可进一步通过溶剂、反溶剂、添加剂、A位以及B位的组分工程以及界面工程来进一步提升RPP PSCs的性能。
作者简介
刘鹏云
本文第一作者
中国石油大学(华东) 副教授
▍ 主要研究 领域
钙钛矿材料与器件，主要从事钙钛矿材料的制备及其在能量转化与存储领域的应用基础研究。
▍ 个人简介
主持国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金青年基金等项目，在Advanced Materials、 Advanced Energy Materials 、Journal of Energy Chemistry 等期刊发表学术论文二十余篇，现阶段致力于低维钙钛矿太阳能电池以及光储一体化集成器件的研究。
▍ Email： liupengyun@upc.edu.cn
邢伟
本文通讯作者
中国石油大学(华东) 教授
▍ 主要研究 领域
从事电化学储能领域的研究。
▍ 个人简介
在Nat. Commun.、Angew. Chem. In. Ed.、Energy & Environ. Sci.、 Adv. Energ. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy 等期刊发表SCI 收录的论文100 余篇，论文被他引10000 余次，入选斯坦福大学发布全球前2%顶尖科学家“终身榜”，获授权的发明专利24 件。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金（4 项）、山东省自然科学基金重大基础研究项目等国家和省部级重点课题，获山东省自然科学一等奖2 项，教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖1 项，中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖1项。
▍ Email： xingwei@upc.edu.cn
刘少敏
本文通讯作者
大湾区大学 讲席教授/澳大利亚科廷大学 Adjunct Professor
▍ 主要研究 领域
无机膜材料与膜组件的研发、膜反应器分离与传质过程机理、反应-分离耦合技术、纳米光（压电）催化材料合成与应用、氢气和氧气的制备以及分离应用等技术的基础研究。
▍ 个人简介
主持了多项澳大利亚国家基金、澳大利亚地方政府创业基金、中澳合作研究基金, 国家面上基金等项目，在Science, Nature Sustainability 、 Nature Communications、 Energy & Environmental Science 、 Chemical Society Reviews、 Angewandte Chemie International Edition、 Advanced Functional Materials 、 Applied Catalysis B: Environmental、 Science Bulletin 、 ACS Catalysis、 Journal of Membrane Science、 AICHE Journal等综合期刊或专业期刊发表学术论文560余篇，科瑞唯安高被引学者。现担任Journal of Membrane Science Editor，最近致力于膜技术在高纯电子级气体的制备与应用。
▍ Email： liushaomin@gbu.edu.cn
撰稿 ：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/4082
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