近日，微電子學院範建東/李聞哲課題組在全無機鈣钛礦太陽電池器件研究取得重要進展，相關研究結果發表在Nano Energy （IF=17.881）和Small（IF=13.281）上，碩士研究生龍毅和劉琨分别為論文第一作者，範建東研究員和李聞哲副研究員為通訊作者。

       近年來，CsPbI2Br無機鈣钛礦太陽能電池的穩定性成為限制其發展的重要瓶頸。鑒于此，研究者設計并生長了基于5-氨基喹啉(Aq)的鉛碘鈣钛礦材料，其中[PbI6]2-八面體骨架沿[001]方向肩并肩排列，A位氨基喹啉π-π堆疊并填充在八面體空隙中。該晶體的特殊結構實現了1D 5-AqPbI3(II) /3D CsPbI2Br間的異質結匹配。喹啉基團間的共轭效應實現了電荷多通道電荷傳輸，改善了低維-三維度雜化鈣钛礦的載流子輸運性能。

       此外，喹啉層間較小的範德華間隙抑制了水分子的滲透，提高了雜化鈣钛礦薄膜的水穩定性。相關研究結果發表在Nano Energy上。

圖1. (a) 5-AqPbI3(II)鈣钛礦生長機理圖，(b) 1D-3D鈣钛礦的異質結匹配圖，(c) 界面電荷差分電荷圖，(d) 鈣钛礦薄膜浸泡在乙醇水溶液（3:1）中的實物圖，(e) 喹啉基團共轭結構及防水機制圖。

       同時，研究者通過引入三聯吡啶（Tpy）有機基團作為A位陽離子，制備了1D-2D-3D多維度雜化的鈣钛礦太陽能電池。理論計算結果表明，低維鈣钛礦結構中，Tpy的離域π電子貢獻了導帶能級，并可以順利地遷移至低維鈣钛礦的[PbI6]4-骨架參與電荷輸運，一定程度上解決了維度雜化鈣钛礦中電荷輸運受阻的難題。低維鈣钛礦因其骨架具有柔韌性，在晶格中與3D CsPbI2Br形成微區異質結釋放了鈣钛礦薄膜中的殘餘應力，降低了缺陷濃度和非輻射複合。基于該結構的1D-2D-3D CsPbI2Br鈣钛礦太陽電池的效率達到了16.13%，在濕氣作用下的穩定性顯著提升。相關研究結果發表在Small上。新型低維鈣钛礦策略将有利于推動無機鈣钛礦太陽能電池産業化進程。

圖2. (a) 1D-2D-3D鈣钛礦薄膜應力釋放原理圖，(b) 太陽電池器件的IV曲線與效率統計圖，(c) 電池器件在30%RH濕度下的穩定性曲線圖。

       該研究由國家自然科學基金項目 (51872126、22075103、51672111、51802120)，廣東省自然科學基金傑出青年項目(2019B151502030)，廣州市科技計劃項目(202002030159)，中央高校基礎研究經費(21621112)，珠江“青年拔尖人才”項目(2017GC010424)，廣東省海外創新團隊項目(2016ZT06D081)的共同資助。

1. π-π conjugate structure enabling the channel construction of carrier-facilitated transport in 1D–3D multidimensional CsPbI2Br solar cells with high stability, Nano Energy, 2021,89, 10634.

2. Architecturing 1D-2D-3D Multidimensional Coupled CsPbI2Br Perovskites toward Highly Effective and Stable Solar Cells, Small, 2021, 2100888.