研之成理|今日黄维院士/邢贵川/陈永华Nature Energy！背景介绍本文亮点图文解析

_本文原题：今日黄维院士/邢贵川/陈永华Nature Energy！

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▲第一作者：梁超，顾浩，夏英东
通讯作者：黄维，邢贵川，陈永华
通讯单位：南京工业大学，西北工业大学，南京邮电大学，澳门大学
DOI：10.1038/s41560-020-00721-5
背景介绍光伏电池在可再生能源生产中的份额预计将从2017年的6.6％增长到2030年的21.8％。要实现这一目标，不仅需要增加太阳能电池效率，还需要降低成本。二维Ruddlesden-Pop层状金属卤化物钙钛矿与其对应的三维钙钛矿相比，具有理想的光电性能和良好的环境稳定性，引起了人们广泛的研究兴趣，被认为是制造可长期稳定工作、高性能钙钛矿太阳能电池（PSC）最有希望的材料之一。
层状钙钛矿的一般化学式为L2An-1MnX3n + 1 ，其中L为长链有机阳离子（间隔基）、A为短链有机阳离子、M为二价金属阳离子、X为卤化物阴离子。其独特的体系结构使得其中n层无机[MX6]八面体片层被两个长的有机间隔层夹在中间，由于有机层和无机层之间的介电常数不匹配，因此形成了自然的量子阱（QW）结构。
然而，由于溶液中不可避免地存在的小晶胞颗粒可以充当形成不同阱宽（n值）QW的成核中心，在使用溶液法沉积的层状钙钛矿通常会产生多个具有随机阱宽度分布的混合量子阱（MQWs）。因此，对于溶液中化合物的热力学稳定性，纯相量子阱的沉积仍然是关键的科学挑战，这严重阻碍了该领域的进一步发展。
本文亮点 1、通过引入熔融盐间隔基乙酸正丁胺(BAAc)替代传统的卤化物间隔基碘化正丁胺(BAI) ，获得了具有单阱宽度的纯相QW 。
2、制备得到了具有微米级垂直排列晶粒、高质量纯相QW的二维Ruddlesden–Popper层状钙钛矿薄膜。
3、与同类MQW的PSC相比，其在长期湿、热和应力条件下稳定性得到了提高。
4、与采用真空方法沉积的传统全无机QW相比，杂化有机-无机金属卤化物钙钛矿纯相QW具有明显优势，包括溶液的可加工性、低温制造和原子层精度。
5、纯相QW良好的稳定性、独特的结构和光电性能，将促进PSC和其他基于钙钛矿的光电器件（例如探测器、发光二极管和激光器）的开发。
图文解析

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▲图1. 基于MQW和纯相QW层状钙钛矿薄膜的光学特性
要点：
1、n值决定了量子阱的厚度和量子限制的程度，从而导致可调谐的激子性质和带隙。
2、飞秒瞬态吸收（TA）测量显示单个显著光淬灭（PB）峰占优势，表明近纯相钙钛矿QWs薄膜可以用熔融盐间隔层沉积得到。
3、纯相钙钛矿QW的线性吸收和光致发光PL与MQW钙钛矿的模式截然不同。

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▲图2. 基于MQW和纯相QW层状钙钛矿薄膜的结构特征
要点：
1、由于乙酸正丁胺与钙钛矿骨架之间的强离子配位作用，可以形成均匀分布的中间相凝胶。这允许具有微米级垂直排列晶粒的纯相量子阱膜从其各自的中间相结晶。
2、通过晶体结构表征证明了纯相量子阱的垂直排列。
3、通过各种光谱技术和晶体结构表征确认的高相纯度可能潜在地促进电荷传输并稳定钙钛矿骨架。

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▲图3.纯相QWs形成机理探究
要点：
1、将BAAc替代传统的BAI引入前体溶液中会影响旋涂过程中钙钛矿溶液形成、胶凝和结晶等溶胶-凝胶过程。分页标题
2、用BAAc制备的溶液中，胶体颗粒显示出非常窄的尺寸分布（?0.6nm）。这种狭窄的尺寸分布源于Ac-和Pb2 +之间的强相互作用，从而阻止了胶体与一个以上晶胞的聚集。
3、通过排出配位的熔融盐、并蒸发副产物乙酸甲基铵（MAAc），可以从中间相结晶出具有微米级垂直排列晶粒的纯相QW膜， DFT进一步表明引入BAAc在热力学上优选形成纯相QW 。
4、通过引入熔融盐隔离层可以克服真空沉积纯相QW薄膜的传统限制。

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▲图4. 基于MQW和纯相QW层状PSC的光伏特性和稳定性
要点：
1、所得纯相QWPSC与同类MQWPSC相比，具有16.25％的高PCE ， 1.31 V的高开路电压(VOC)、16.75 mAcm-2短路电流密度（JSC）、74.07％高填充因子和可忽略不计的J–V磁滞。
2、在65±10％的湿度下保持4,680 h、85 ℃下工作558 h或连续光照1,100h后，该PSC显示出<10％的PCE效率下降。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00721-5
作者简介

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黄维
【研之成理|今日黄维院士/邢贵川/陈永华Nature Energy！背景介绍本文亮点图文解析】黄维，中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。教授、博导，有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子与柔性电子学家。
黄维院士是国家重要人才计划特聘教授，国家“杰出青年科学基金”获得者，国家杰出人才计划入选者， “973”项目首席科学家。亚太地区工程组织联合会（FEIAP）主席，俄罗斯科学院名誉博士、英国谢菲尔德大学名誉博士，英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、三次获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖和江苏省科学技术奖一等奖等，以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”等，成果入围中国“高等学校十大科技进展” 。
黄维院士在柔性电子学、特别是有机电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果，以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics以及Nature Communications等国际主流SCI学术期刊发表研究论文800余篇， h因子为140 ，国际同行引用逾90000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项，出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。

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邢贵川
邢贵川，澳门大学应用物理及材料工程研究院，副教授，博士生导师。邢贵川教授， 2003年本科毕业于复旦大学， 2011年于新加坡国立大学获得物理学博士学位，其后到新加坡南洋理工大学从事光学、超快光谱学、非线性光谱学和光电子材料与器件等研究工作。
近几年课题组着重于金属卤化物钙钛矿型材料制备、钙钛矿型光电子器件研发及其光谱机理探测分析。在有机及钙钛矿光电材料与器件领域发表论文100余篇，他引13000余次， h因子41 。近年来，以第一/通讯作者发表论文80余篇，包括Sciene、Nature Materials、Nature Energy、Nature Photonics、Nature Communications、Advanced Materials等期刊，拥有授权美国专利3项，主持多项国家及省部级基金项目。分页标题

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陈永华
陈永华，南京工业大学先进材料研究院，教授、博士生导师。国家高层次人才计划入选者，江苏省特聘教授、江苏省杰出青年基金获得者。陈永华教授2011年中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位， 2011-2015先后在美国维克森林大学和凯斯西储大学从事博士后研究工作。
陈永华教授长期围绕有机及钙钛矿光电材料与器件的关键科学问题，开展高效稳定光电器件的研究工作。近年来，在有机及钙钛矿光电材料与器件领域发表论文100余篇，他引4000余次， h因子36 。近5年，以第一/通讯作者发表论文50余篇，包括Nature Photonics、Nature Energy 、 Nature Communications、Chemical Society Review、Advanced Materials、Chem、Nano Letters、Angewandte Chemie 等期刊，申请/授权中国专利11项、美国专利1项。撰写英文专著“Organic Semiconductor Heterojunctions and its Application in Organic Light-Emitting Diodes” (Springer Nature)一部和专著章节“White OLED Materials”in “Handbook of Advanced Lighting Technology”(Springer Nature) 。主持多项国家及省部级基金项目。