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刮涂式太阳能电池，用于 Dion-Jacobson (DJ) 钙钛矿，在不同的环境条件下，其功率转换效率约为 19.11%。
研究目的——对DJ材料稳定性的关键因素进行系统研究，为设计稳定、高效、可扩展的DJ钙钛矿太阳能电池提供指导。
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优异的光物理性质和固有的结构特性，因此比三维钙钛矿更受青睐。具有双位二铵阳离子的DJ型钙钛矿能够增强无机层之间的连接，提高结构的刚性，从而进一步增强其稳定性。对Ruddlesden-Popper (RP)型和Dion-Jacobson (DJ)型钙钛矿的研究表明，后者在大气环境中稳定性较差。
例如，在 1,4-苯二甲铵和间苯二胺基 DJ 钙钛矿中，几个小时内就观察到了较差的湿度稳定性。
根据结构分析，这些材料具有独特的层间位移量子和阱结构，使其与其他DJ钙钛矿区别开来。这导致层间距更小，层间电荷传输和结构完整性得到优化。
对于层间阳离子，使用环烷基有机阳离子可以保持分子的电负性和柔性。与烷基链和芳基有机阳离子相比，这种方法也更具优势。该方法能有效降低晶格应力，最终实现整体结构的稳定性。
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% |
据研究人员称，刮涂法二维钙钛矿太阳能电池中效率最高的是CDMA型太阳能电池。下图显示了DJ太阳能电池的电流密度-电压(JV)曲线。
研究人员测量了器件的短路电流密度（JSC）及其外部量子效率（EQE）。PDMA器件的EQE低于CDMA器件。在可见光吸收范围内，PDMA的JSC为17.57 mA cm⁻²，CDMA的JSC为19.58 mA cm⁻²。这些数值与在太阳光刺激器下测得的JSC值相符。
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钙钛矿薄膜中晶粒分布均匀。而CDMA薄膜的晶粒尺寸明显增大，且在相应的晶界处覆盖着一些细小的二维片状结构。这可能与界面自钝化有关，以确保薄膜的稳定性。此外，这也有助于对刮涂薄膜进行紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱和X射线衍射（XRD）测量。
CDMA薄膜的半峰全宽（FWHM）相对较窄，衍射峰强度也更强。根据谢勒方程，这表明其结晶度提高，晶粒尺寸增大。
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表明，去除凹陷可以提高钙钛矿薄膜的稳定性。
应变和稳定性的表征 DJ Perovskite Films 的
研究人员根据瞬态吸收（TA）表征所显示的相分布，选取了两个深度来研究两种器件中的残余应变。在材料中观察到，表层区域呈现类似三维相的特征，而深层区域则富含二维钙钛矿。如下图所示，PDMA钙钛矿薄膜的掠入射X射线衍射（GIXRD）图谱与310晶面相关。
随着Ψ角（0°至45°）的增大，衍射峰向右偏移。这进一步表明晶面间距逐渐减小，薄膜受到压缩应变。
在富含二维钙钛矿的区域，PDMA薄膜表现出向左偏移的趋势，随后Ψ值增大。变化趋势与线性拟合方向略有偏差。这表明二维钙钛矿相分布不均匀，会对器件的稳定性和性能产生负面影响。相反，在CDMA薄膜中，两个区域的Ψ值增大时位移均可忽略不计。
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CDMA薄膜在储存100天后，表现出优异的耐湿性，且未出现杂质衍射峰。
此外，通过测量薄膜表面的水接触角来检测薄膜的耐水性。CDMA薄膜的水接触角较大（51°），而PDMA薄膜的水接触角较小（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进一步证实了CDMA钙钛矿薄膜优异的耐水浸性能。
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。
