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。基于這種獨特結構的鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了功率轉換效率達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，而精確調控鈣鈦礦薄膜生長是實現(xiàn)這一目標的關鍵因素之一。
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。
