针对二维钙钛矿中多量子阱结构导致的载流子严重复合问题，该研究提出了铁电极化场促进载流子面外输运的策略，构建了高效二维分子铁电薄膜太阳能电池。该研究为促进二维结构面外载流子输运提供了新的思路，展示了新型分子铁电薄膜材料在光伏领域的应用前景。
卤化物钙钛矿材料由于具有结构与带隙灵活可调，吸光系数高，激子结合能低，缺陷容忍度高等特点，在新型高效率，低成本太阳能电池领域展示出巨大的发展前景。可潮湿环境下较差的稳定性，阻碍钙钛矿太阳能电池的进一步发展。由于大尺寸有机阳离子能够有效阻止外界水汽侵蚀以及材料内部离子迁移，二维钙钛矿材料在解决钙钛矿稳定性领域展现出巨大的研究前景。然而，大尺寸有机阳离子的引入也导致钙钛矿容忍因子过大，结构上形成了有机阳离子，无极框架交替排布的二维结构；有机部分与无机部分能级结构的差异则导致了多量子阱电子结构的形成，严重阻碍了载流子面外输运性能。
针对二维钙钛矿材料中多量子阱结构导致的层间面外电荷输运性能差问题，该课题组提出利用新型分子铁电薄膜作为吸光层构建新型分子铁电太阳能电池的思路。新型分子铁电材料作为一种新兴的铁电材料，不仅保持了二维钙钛矿材料稳定性高，结晶温度低以及带隙较窄等优异的光电性质，同时具有自发极化强度大，极轴多以及居里温度高等杰出的铁电性质，因此在光电领域具有巨大的发展潜力。
从图1可以看出，不同于非铁电二维钙钛矿中多量子阱结构导致的不良面外电荷输运，分子铁电钙钛矿结构中有机配体有序取向引发的铁电极化场能够促进光生电荷突破势垒的阻碍，从而实现有效的面外输运。
图1. 二维钙钛矿结构中的多量子阱电子结构与分子铁电材料。
物相表征揭示了二维分子铁电体强烈的面内生长取向性（0l0）,PFM测试则显示出分子铁电薄膜随外加电场变化表现出明显的迟滞效应与优异的极化翻转性能（图2）。
图2. 分子铁电材料二维面内结构与铁电极化性能表征。
理论计算结果表明铁电性产生的极化场对器件耗尽层宽度以及p-i-n结电势具有明显的影响，其中正向极化不仅有效降低了耗尽层宽度，而且有效促进电荷在p-i-n结内输运。进一步实验结果证明，通过采用2V外加电场极化，器件开路电压从1.16V提升到了1.29V，器件效率从3.13%增加到了3.71%，获得了目前二维（n=1）Ruddlesden-Popper型钙钛矿太阳能电池中最高的开路电压与光电转化效率。最大功率点追踪测试结果表明器件极化后能稳定维持极化性能。（图3）
图3. 理论计算与分子铁电太阳能电池极化性能表征。
不同于以往文献通过复杂的调控面外生长二维钙钛矿薄膜，该研究借助铁电性促进多量子阱结构中的面外电荷输运，为提升二维钙钛矿薄膜器件性能提供了新的思路，展示了新型分子铁电薄膜材料在光伏领域的应用前景。
论文信息：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwad061/7071901?login=true
Two-dimensional (n = 1) Ferroelectric Film Solar Cells
Chen Wang, Jiahao Gu, Jun Li, Jianyu Cai, Lutao Li, Junjie Yao, Zheng Lu, Xiaohan Wang, Guifu Zou
National Science Review, 2023;, nwad061, https://doi.org/10.1093/nsr/nwad061
导师介绍：
邹贵付： https://www.x-mol.com/groups/Zou_Guifu