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放胆简介

大铵阳离子的千里积在钙钛矿名义，以钝化颓势并减少斗争复合，已使钙钛矿太阳能电板（PSCs）达到不凡的效劳和踏实性。这些铵阳离子不错在钙钛矿名义酿成薄的分子层，或带领低维（经常为二维）钙钛矿钝化层的酿成。尽管这两种不同的结构对器件的开动有不同的影响，但策动东说念主员往往忽略它们。在本综述中，好意思国西北大学Edward H. Sargent和意大利帕维亚大学Giulia Grancini团队试图分裂这两种钝化层。他们覆按了酿成低维钙钛矿的条目以及这两种结构的电子性质，并商议了每种方法进步光伏效劳和踏实性的机制。终末，他们回首了需要处治的常识空缺，以更好地解析和优化基于铵阳离子的钝化计策。关系著作以“Molecular cation and low-dimensional perovskite surface passivation in perovskite solar cells”为题发表在Nature Energy上。

策动布景

钙钛矿太阳能电板（PSCs）照旧结束了卓绝26%的光电转念效劳（PCE），蛊卦了光伏制造商的珍视。最近的效劳进步收货于钙钛矿薄膜名义或钙钛矿与斗争层界面处的陷坑态的钝化。经常，名义钝化层是通过溶液处理千里积的，但它们也不错通过挥发或物理堆叠酿成。最常用的钝化钙钛矿薄膜名义的材料是具有烷基铵链的铵配体盐、环状或芳醇铵阳离子，经常带有卤化物阴离子。铵阳离子不错通过A位空位或氢键与钙钛矿名义荟萃，酿成薄的分子层。可是，在某些条目下，这些大铵阳离子也不错鼎新三维（3D）钙钛矿的名义，取代A位酿成低维钙钛矿结构，最常见的是二维钙钛矿。二维钙钛矿是通过沿着无机平面切割3D钙钛矿取得的。酿成的层状系统中，无机层由大有机阳离子离隔，界说了系统的维度。这些结构不错是纯二维的（n=1）或准二维的（n≥2）。为了便捷起见，除非需要分裂这两种结构，不然咱们一般称之为二维钙钛矿。

图1: 铵阳离子基二维和分子钝化层。

图文导读

基于铵阳离子的分子和二维钝化层

二维钝化层不错通过径直或波折的方法酿成。径直方法包括将照旧酿成的二维钙钛矿转化到三维薄膜名义。这些方法包括物理堆叠3D和2D薄膜或使用只融解2D钙钛矿的溶剂将2D钙钛矿前体径直溶液处理到3D名义。可是，经常2D钝化层和分子阳离子钝化层是通过相通的方法酿成的：将钝化配体（看成胺或铵盐）融解在溶液中，然后将其涂覆在钙钛矿名义（经常随后进行退火方法）。在酿成2D钙钛矿的情况下，它是通过3D钙钛矿波折酿成的。

图2: 制备二维或分子阳离子钝化层的方法。

酿成二维钙钛矿钝化层的条目

密度泛函表面盘算标明，二维钙钛矿的酿成能低于三维结构的酿成能：这驱动了3D钙钛矿在泄露于2D阳离子时向2D钙钛矿的鼎新。2D阳离子分割3D钙钛矿的平板，因为用2D阳离子拒绝的钙钛矿取代3D阳离子拒绝的钙钛矿在热力学上是成心的。

图3: 通过溶液处理在钙钛矿薄膜顶部施加铵配体的三种可能放胆。

Kanatzidis和共事通过溶液与其他钙钛矿前体沿途策动了间隔阳离子是否能酿成2D钙钛矿的闲居策动。他们忽视酿成2D钙钛矿的倾向由六个身分决定：间隔电荷、体式、大小、融解度、氢键和反馈性。这些次序一样适用于3D到2D的鼎新，以酿成2D/3D异质结构。这意味着丁铵不错酿成2D钝化层，而四甲基铵不成。可是，在3D到2D转念的酿成能源学中，存在各式例子，标明酿成经过愈加复杂。举例，苯乙基铵、芘甲基铵、芘乙基铵、辛二铵和辛铵都能酿成2D钙钛矿单晶，但在某些情况下未能带领从3D到2D钙钛矿的转念。因此，波折酿成2D/3D异质结构需要彭胀Kanatzidis等东说念主细想法身分。

图4: 驱动在三维钙钛矿顶部酿成二维钙钛矿的身分。

光伏效劳的影响

有两种法式的PSCs结构：n-i-p结构，其中空穴传输层千里积在钙钛矿名义上方；以及p-i-n结构，其中电子传输层（ETL）千里积在钙钛矿名义上方。相比这两种结构的放胆有助于细目钝化层若何促进或扼制空穴或电子传输。 尽管很多著作领受了在3D薄膜上方生成2D钙钛矿的方法，但很少有著作提供2D钝化层的遮蔽性根据。这少许很首要，因为要解析这些策动的放胆，咱们必须分裂均匀遮蔽的2D层、不均匀遮蔽的2D层和分子阳离子钝化层。

图5: 分子或二维钙钛矿钝化层对太阳能电板性能的影响。

铵配体通昔时除A位空位和氢键荟萃，随机有用钝化钙钛矿名义颓势，从而进步光致发光量子产率（PLQY）和开路电压（VOC）。天然钝化不错缔造名义颓势，但VOC加多的原因还包括界面陷坑的扼制。界面复合的防护主要通过物理分离钙钛矿和电荷传输层（CTL），或通过诊疗界面的能级瞄准来结束。图6c展示了钝化后QFLS和VOC的各别，标明钝化对减少名义和界面颓势均有权贵效果。

图6: 钝化机制。

二维钝化层与三维钙钛矿的能带对王人有助于屏蔽电子并允许空穴通过，合适n-i-p电板但在p-i-n电板中进展欠安。准二维钙钛矿（n≥3）钝化层通过诊疗能级摆设减少电子屏蔽，但可能在p-i-n电板中无益。钝化剂经常酿成绝缘层，若实足薄（约1nm），载流子可通过隧穿效应穿过该层。二维钙钛矿的量子限域权贵镌汰了载流子的搬动率，但n≥3的准二维钙钛矿在量子限域单位内自满出高电流密度。可是，水平堆叠的量子阱和搀和维度相引起电荷拿获，顽固电荷索求。理思的二维钝化层应为纯相、垂直摆设的准二维钙钛矿。分子阳离子钝化层通过偶极矩改革名义能带对王人，CF3-PEA合适电子传输层，而偶极矩较小的铵配体合适空穴传输层。填充空位和名义抛光也可改善能级对王人，说明了分子阳离子钝化在n-i-p和p-i-n设立中的有用性。

图7: 二维钙钛矿钝化层和分子阳离子钝化的钙钛矿太阳能电板的光物理特点。

太阳能电板的踏实性

在湿气环境下，由于钝化层的疏水性，钝化层经常不错进步器件的踏实性。策动自满，钝化处理不错将器件的寿命蔓延2到20倍，但也有策动质疑2D钝化层在钙钛矿太阳能电板中的恒久踏实性。举例，Sutanto等东说念主标明，跟着时辰的推移，2D钙钛矿不错从纯2D n=1降解到n≥2准2D钙钛矿，这标明在2D钙钛矿晶体化后，配体不时渗入并分割3D钙钛矿单位。使用较低浓度的铵阳离子处理时，Kamat和共事标明，在光照和加热的压力下，薄膜名义上的2D钙钛矿含量跟着时辰的推移而减少。

图8: 根据文件报说念的踏实性数据推算的T80寿命预料值。

回首预测

钝化本事是否能酿成均匀的二维钙钛矿层、搀和的二维/有机层或非均匀的钝化层，将对器件的光物理和踏实性产生影响。举例，均匀的二维钝化层难以用于n型斗争的钝化，而非均匀钝化层可能无法有用扼制离子漂移。可是，最近的策动放胆令东说念主饱读励，标明如若工程想象顺应，非论是具有低渗入性和高荟萃强度的分子钝化层，如故高踏实性的二维钝化层，都不错进步太阳能电板的效劳和踏实性。

需要对径直千里积的二维钝化层的踏实性进行更真切的了解。如若这些钝化层由于其阳离子不易渗入到三维钙钛矿中而愈加踏实，那么使用比丁铵更大体积的阳离子制造二维钝化层可能会进一步减少这种渗入倾向，从而结束更长的寿命。讨论到效劳，不错通过径直千里积垂直摆设的n≥3二维钝化层进一步进步载流子索求；可是，这可能无法提供与离子扩散相通的保护，因为保护层不会瞄准以重荷离子从电板中搬动。

为了保护三维活性层，均匀的二维钝化层具有保护通盘这个词膜名义的上风。表面上，分子阳离子钝化不错酿成均匀的单分子层，在不妨碍电荷传输的情况下防护离子扩散，但通过溶液处理结束这少许很辛勤。可是，如若能想象出与钙钛矿名义热烈荟萃的配体，不错在不去除第一层的情况下从名义洗去其他配体，这就有可能结束。现在还不清爽薄的分子钝化层是否能提供与较厚的二维钝化层相通的保护。可是，图8中的太阳能电板寿命预料自满，使用分子阳离子钝化层或均匀的二维钝化层不错在1太阳光照和35°C条目下提供卓绝2年的踏实性，这标明跟着进一步的进展，这两种钝化层最终都可能提供实足的保护，以达到买卖上可接受的耐用性（≥25年）。

文件信息

Teale, S., Degani, M., Chen, B., Sargent, E. H., & Grancini, G. (2024). Molecular cation and low-dimensional perovskite surface passivation in perovskite solar cells. Nature Energy. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01529-3