除了效率之外，稳定性一直是钙钛矿光伏电池及其实际应用的长期关注点。迄今为止，用于光伏电池的此类稳定材料及其相关数据不足，研究人员正在尝试不同的材料以获得更好的见解。在这项研究中，正在测试用于光伏应用的超稳定且高效的 Dion-Jacobson 钙钛矿太阳能电池。
该团队已成功设计出采用可扩展技术的 Dion-Jacobson (DJ) 钙钛矿叶片涂层太阳能电池， 在不同环境条件下表现出约 19.11% 的电力转换效率.
该研究的目的 – 系统研究DJ材料稳定性的关键因素，为设计稳定、高效的可扩展太阳能电池找到DJ钙钛矿的指导原则。
超稳定高效 Dion-Jacobson 钙钛矿太阳能电池的性能
由于二维钙钛矿具有理想的光物理特性和固有的结构特性，因此比三维钙钛矿更受青睐。具有双位二铵阳离子的 DJ 型钙钛矿可增强无机层之间的连接并增加结构的刚性。这进一步增强了其稳定性。 各种研究 关于Ruddlesden−Popper（RP）和Dion-Jacobson（DJ）钙钛矿的研究表明，后者在大气环境中不太稳定。
举个例子，在基于1,4-苯基二甲铵和间苯基二铵的DJ钙钛矿中，几个小时内就会出现较差的湿度稳定性。
根据结构分析，这些材料具有 独特的层间位移量子阱结构，使其有别于其他 DJ 钙钛矿。这导致层间间距更小，并优化了层间电荷传输和结构完整性。
对于层间阳离子，使用环烷基有机阳离子可保持分子的电负性和柔韧性。 优于烷基链和芳基有机阳离子. 通过这种方法可以有效减小晶格应力，最终实现整体结构稳定。
核心亮点
- 介绍用于稳定高效的太阳能电池的新型DJ（CDMA 1-环己烷二甲铵，n≥4）（MA）n-1Pbn1n+3系列。
- 这些未封装的电池在~92% 相对湿度 (RH) 老化条件下超过 4000 小时仍保持了 90% 的效率。
- 这些电池表现出操作稳定性和 85° C 的热稳定性。
- 经过 5000 小时的处理后效率没有损失。
- 在连续光照（45 mW cm-6000）下以 100° C 最大功率点 (MPPT) 运行 2+ 小时后效率无损失。
研究过程
可扩展的刀片涂层沉积技术用于展示 DJ 钙钛矿用于大型太阳能电池的潜力。参考太阳能电池使用标称 n=5 PDMA DJ 钙钛矿。它们以增强设备稳定性而闻名，并且具有相似的有机分子结构。
| 细胞的性质 | 参考设备 | 标称器件 n = 5 基于 CDMA 的钙钛矿太阳能电池 |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| 开路电压（VOC） | 1.06伏 | 1.16伏 |
| 短路电流密度（JSC） | 18.32毫安/厘米−2 | 20.41毫安/厘米−2 |
| 填充因子 | 76.46% | 80.56% |
此 叶片涂层 2D 钙钛矿的最高效率是 CDMA 的 PCE研究人员表示。下图显示了 DJ 太阳能电池的电流密度-电压 (JV) 曲线。
研究人员用 EQE 测量了器件的短路电流密度 (JSC)。PDMA 器件的 EQE 低于 CDMA。在可见光吸收区域， PDMA的JSC为17.57，CDMA的JSC为19.58 mA cm-2.这些值与太阳刺激器下测量的 JSC 相匹配。
不同条件下太阳能电池的稳定性
此外，研究人员还研究了这些细胞在高温、光照和潮湿环境下的稳定性。
轻度应激
在氮气保护手套箱中，模拟1太阳白光LED（发光二极管）下，采用MPPT跟踪检查其运行稳定性，在45°C左右进行6000+小时老化测试，无下降趋势。
- 聚二甲基硅氧烷 – PCE减少约30%。
- CDMA的 – 其初始效率略有波动。
高温
在85°C的加热板上检查太阳能电池的热稳定性。
- 聚二甲基硅氧烷 – 初始效率下降50%。
- CDMA的 – 即使过了 5000 小时，效率仍然微乎其微。
这验证了CDMA钙钛矿电池优异的耐热性。
水分
未封装的太阳能电池存放在恒温恒湿室中，湿度约为~90% RH，温度约为~22°C。这会对两种设备造成以下影响。
- 聚二甲基硅氧烷 – 老化 500 小时后，PCE 迅速降至零。
- CDMA的 – 老化 92 小时后，初始效率达到约 4394%。
通过比较老化的器件，我们发现基于 PDMA 的器件的活性层已变为无色，而基于 CDMA 的器件没有明显的变色。这证实了 CDMA DJ 钙钛矿具有很高的耐湿性。根据下图所示的合并图，研究人员表示，CDMA 系列是 2D 和 3D 钙钛矿太阳能电池中最好的。
设备特性
器件特性
下图显示了计算出的滞后因子的统计分布。它是根据 PDMA 和 CDMA 太阳能电池的 PCE 测量的。这表明 CDMA 中的分布滞后相对较低且稳定，这有利于生产稳定且可扩展的太阳能电池以供实际应用。
钙钛矿薄膜的表征
研究人员利用顶视图扫描电子显微镜（SEM）研究钙钛矿薄膜的形貌。
根据观察， PDMA 中的颗粒分布均匀 钙钛矿薄膜。而 CDMA 具有 晶粒尺寸明显增大 以及一些覆盖相应晶粒边界的小型 2D 晶圆。这可能涉及界面的自钝化以确保稳定性。此外，它还有助于实现叶片涂层的紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱和 XRD 测量。
CDMA 薄膜的半峰全宽相对较窄 （FWHM）以及衍射峰强度的增加。这表明结晶度提高，晶粒尺寸增大， 谢勒方程.
从紫外可见吸收光谱来看，两种 DJ 钙钛矿薄膜均具有 2D 相分布。然而，CDMA 具有较高的强度，表明其 2D 相分布丰富，有利于其短波吸收和薄膜稳定性。
掠入射广角X射线散射（GIWAXS）观察显示，CDMA具有相对较强且离散的布拉格点。这表明其结晶性较好，有利于电荷传输。
香港科技大学科学家的一项研究得出结论 去除凹陷可提高钙钛矿薄膜的稳定性
应变和稳定性的表征 DJ Perovskite Films 的
研究人员选定 2 个深度来研究残余应变 根据 TA 表征显示的相分布，两种器件中都观察到了 3D 相的表层区域和深层区域中高浓度的 2D 钙钛矿。根据下图， 掠入射X射线衍射 PDMA 钙钛矿薄膜的 GIXRD 相对于 310 晶面.
有一个 衍射峰向右移动 随Ψ的增大（0°~45°）薄膜的晶面间距呈逐渐减小的趋势，表明薄膜存在压应变。
在二维富含钙钛矿的区域中， PDMA 薄膜显示向左 Ψ 值随时间变化，随后 Ψ 值上升。变化趋势略有偏离线性拟合方向，说明 2D 钙钛矿相分布不均匀，对器件的稳定性和性能产生负面影响。相反， CDMA 电影，位移可忽略不计 两个区域的 Ψ 均明显增加。
通过 Williamson-Hall 图计算残余应变后，结果一致。这表明 DJ 钙钛矿几乎没有残余应变，这种特性有助于其稳定性。
储存一个月后，薄膜的黑色相完全转化并分解为宽带隙相。而在 CDMA 薄膜中，储存 100 天后，显著 水分稳定性好，无杂质衍射峰.
此外，通过测量薄膜表面的水接触角来检查薄膜的耐水性。CDMA 表现出 较大的水接触角（51°） 并且 PDMA 更小的角度（41°）。这表明CDMA钙钛矿薄膜具有较高的耐水性。下图所示的动态接触角曲线证实了CDMA钙钛矿薄膜具有优异的耐水性。
结语
结果发现，在层间置换中加入柔性有机阳离子可以提高DJ钙钛矿结构的结构稳定性，并以此为基础设计了一系列层间置换DJ钙钛矿，进一步将材料应用于刮涂工艺，获得了更高的效率和稳定性，而且在老化测试中，器件的衰减也微乎其微。
总而言之，研究人员得出结论，新开发的系列具有构建稳定的二维钙钛矿的潜力，可用于各种应用。
