金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、帶隙可調(diào)、禁帶寬度合適、載流子遷移率高及成本低廉等優(yōu)點，是第三代薄膜太陽能電池的代表性材料。然而三維鈣鈦礦對水氧的敏感性，導(dǎo)致器件在自然工作狀態(tài)下效率急劇衰減，嚴(yán)重阻礙了鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程。二維鈣鈦礦作為三維鈣鈦礦的延伸材料，因其疏水性和對光照的不敏感性，穩(wěn)定性大為提高。由于二維材料結(jié)構(gòu)的特殊性，電子或空穴受量子尺寸效應(yīng)限制，其壽命和遷移率遠(yuǎn)低于三維結(jié)構(gòu)，因而其器件光電轉(zhuǎn)化效率明顯低于三維鈣鈦礦。這種穩(wěn)定性與高效率之間的矛盾成為實際應(yīng)用的一個難題。

在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所綠色印刷重點實驗室研究員宋延林課題組科研人員利用綠色納米印刷技術(shù)，在鈣鈦礦單晶的精細(xì)圖案化組裝（Sci.Adv.2018，4，eaat2390）、印刷柔性太陽能電池（Adv.Mater.2017，29，1703236）和鈣鈦礦可穿戴器件（EnergyEnviron.Sci.DOI:10.1039/c8ee01799a）方面開展了一系列研究。

最近，該實驗室的研究人員與澳門大學(xué)物理學(xué)院合作，成功將純相的二維鈣鈦礦引入到三維鈣鈦礦體系中，克服了載流子傳輸過程受量子尺寸效應(yīng)的限制，制備出了高度趨向性的2D-3D鈣鈦礦橫向抑制結(jié)薄膜，并利用印刷技術(shù)制備出高效率、高穩(wěn)定性的模塊化鈣鈦礦太陽能電池。

如上圖所示，他們選擇具有長鏈雙胺配體（EDBEPbI4）的二維鈣鈦礦，一方面抑制了多種二維相的形成，保證二維鈣鈦礦的超強(qiáng)疏水性。另一方面，二維鈣鈦礦中的胺分子可以與三維鈣鈦礦中的有機(jī)陽離子發(fā)生配位作用，可以使純相二維鈣鈦礦鑲嵌在三維鈣鈦礦晶界處，抑制載流子自晶界處的非輻射復(fù)合，阻擋水和氧在從晶界處腐蝕薄膜，得到了光電轉(zhuǎn)換效率超過21%的鈣鈦礦太陽能電池。

通過印刷技術(shù)制備出的模塊化組件，在自然條件下，經(jīng)過3000小時的衰減測試，其光電轉(zhuǎn)換效率仍然保持在初始值的90%以上。500小時的光照測試，模塊化組件效率衰減不足10%。通過這種二維-三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時實現(xiàn)了超高效率和超穩(wěn)定性的模塊化鈣鈦礦太陽能電池，對推動鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用具有重要意義。該研究成果近日發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv.Mater.DOI：10.1002/adma.201805323）上。