近日，ng28南宫周惠琼研究员等人在Dion−Jacobson型钙钛矿太阳能电池的材料设计与稳定性研究上取得新进展，合成设计系列具有层间轻微位移的Dion−Jacobson型钙钛矿材料，并实现该材料在准二维钙钛矿太阳能电池刮涂工艺上的最高转换效率19.11%，以及超过6000小时最大功率点下的运行稳定性。研究成果以Ultrastable and efficient slight-interlayer-displacement 2D Dion-Jacobson perovskite solar cells 为题，发表在Nature Communications上。
图. 新型Dion−Jacobson钙钛矿的材料设计、器件性能与稳定性研究
效率、稳定性和可拓展的大面积器件制备技术是钙钛矿太阳能电池实际应用的三个关键。相比于三维钙钛矿太阳能电池， 二维钙钛矿中的Ruddlesden-Popper 和Dion-Jacobson型太阳能电池因具有优异的稳定性和器件性能，近年来引起广泛的关注。在效率上，这两种类型的钙钛矿太阳能电池转换效率仍普遍低于19%（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2206594；ACS Energy Lett. 2022, 7, 1842；Nano Lett. 2022, 22, 7545−7553）。利用锍阳离子辅助中间相工程调控Ruddlesden-Popper型钙钛矿太阳能电池性，课题组实现19.08%的光电转化效率（Adv. Mater. 2023, 35, 2207345），但对Dion-Jacobson型太阳能电池的光电转化效率性能提升的研究仍相对不足。在稳定性上：理论上，Dion-Jacobson较Ruddlesden-Popper型钙钛矿具有更好的稳定性，但实际研究报道显示目前发现的Dion-Jacobson型钙钛矿在大气环境中的稳定性相对较差。此外，在大面积工艺上：Dion-Jacobson型钙钛矿仍缺乏相关探索，而Ruddlesden-Popper型钙钛矿在刮涂工艺上已实现约16%的转换效率。因此，如何合理开发性能优异稳定的Dion-Jacobson型钙钛矿材料，并且实现高效、稳定性及其可拓展大面积的器件工艺成极具挑战。
鉴于此，研究人员利用柔性的1,4-环己烷二甲铵合成设计了一系列新型的轻微层间位移型Dion-Jacobson钙钛矿材料。对材料的稳定性研究，发现这类材料具有优异的湿度、热及其光照稳定性。研究人员进一步采用刮涂工艺制备了系列Dion-Jacobson型钙钛矿太阳能电池，并且在n=5的钙钛矿组分中获得最高的转换效率19.11%。这个效率是目前基于准二维钙钛矿电池刮涂工艺最高的转换效率。同时，未封装电池在~90%相对湿度(RH)老化条件下4000小时后可保持其初始效率的92%。更重要的是，这些电池还表现出显著的热稳定性（85°C）和运行稳定性，在经过超过5000小时的热处理后，或在100 mW cm-2连续光照下在45°C下以最大功率点运行超过6000小时后，效率损失可忽略不计。该工作在效率和稳定性上的突破，为高效稳定的准二维钙钛矿电池制备及产业化提供了借鉴。
ng28南宫周惠琼课题组博士张伟川（现南华大学特聘教授）为论文第一作者。ng28南宫周惠琼研究员为论文通讯作者。该工作得到中澳联合基金项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、及湖南省优秀青年基金项目与南华大学高层次人才项目的大力支持。
论文链接：http://www.nature.com/articles/s41467-024-50018-4#Sec8
