Research Progress of Quasi-two-dimensional Perovskite Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20200863

Abstract

Abstract:

Quasi-two-dimensional（2D） perovskite（organic-inorganic hybrid） has attracted enormous attention in solar cells due to its excellent stability， crystallinity and photoelectric properties. In contrast to the 3D perovskite， the unique layered crystal structure endows some extraordinary properties of quasi-2D perovskites， which is due to the intercalation of organic spacer cations（OSC） into the 3D framework. （1） The multilayer quantum wells create the anisotropic photoelectric properties. （2） The spacer cations change the environment of the clusters in precursor solution to achieve high-quality perovskite films. （3） The hydrophobic spacer layers with inhibition of ion migration realize excellent stability of quasi-2D perovskites films. However， the photoelectric transformation efficiency（PCE） of quasi-2D perovskite solar cells（PSCs） is still far less than that of 3D counterparts due to quantum confinement effect， dielectric confinement effect， non-preferred crystal orientation and random phase distributions of quasi-2D perovskites films. In order to solve these problems and achieve the balance between the PCE and stability of solar cells， it should be better understood of 2D perovskites from the crystal structures， photoelectric properties as well as the device performances. In this paper， we first introduce the crystal types including the （100），（110） and （111）-oriented structures. On this basis， the preferred orientations（out-of-plane and in-plane） and uniform/graded phase distributions are overviewed for the most studied （100）-oriented structure. To the understanding of the nucleation and crystallization processes of quasi-2D perovskite films， we then discuss the preparation methods from the perspective of one-step and two-step film-casting， respectively. Furthermore， we summarized the extensive researches on quasi-2D-PSCs and analyzed a series of significant results. Meanwhile， we highlight internal mechanism of quasi-2D perovskites stability and summarize superior long-term stability of quasi-2D perovskites and 3D/2D heterojunction perovskites. Last but not least， we further looked ahead to research trends in the future， such as： phase purity of 2D perovskites thin films， graded phase 2D perovskites thin films， modified interface， design of new organic spacer cations， 3D/2D heterojunction perovskites.

Key words: Quasi-2D perovskite, Solar cell, Crystal structure, Phase distribution, Stability

CLC Number:

O649.4

TrendMD:

YUE Shengli, WU Guangbao, LI Xing, LI Kang, HUANG Gaosheng, TANG Yi, ZHOU Huiqiong. Research Progress of Quasi-two-dimensional Perovskite Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1648.

Figures/Tables 20

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146	Spanopoulos I.， Hadar I.， Ke W.， Tu Q.， Chen M.， Tsai H.， He Y.， Shekhawat G.， Dravid V. P.， Wasielewski M. R.， Mohite A. D.， Stoumpos C. C.， Kanatzidis M. G.， J. Am. Chem. Soc.，2019， 141， 5518―5534
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150	Zhang F.， Wang Z.， Zhu H.， Pellet N.， Luo J.， Yi C.， Liu X.， Liu H.， Wang S.， Li X.， Xiao Y.， Zakeeruddin S. M.， Bi D.， Grätzel M.， Nano Energy，2017， 41， 469―475

Species	DJ	ACI	RP	AVI
Formula	A′A_n_-1B_nX₃_n₊₁	(A′A)_n_-1B_nX₃_n₊₁	(A′A) _n₊₁B_nX₃_n₊₁	Bi₂O₂A_n_-1B_nX₃_n₊₁
Stacking sequence	[(A′)(A_n_-1BX)_n]	[(A′X)(ABX)_n]	[(A′X)(ABX)_n]	[(Bi₂O₂)(A_n_-1BX)_n]
A relative shift of the layers along the ab?plane	(0, 0) shift	(1/2, 0) shift	(1/2, 1/2) shift	(1/2, 1/2) shift
n=3 exemplar	3AMP(MA)₂Pb₃I₁₁	GA₂MA₃Pb₃I₁₁	BA₂(MA)₂Pb₃I₁₁	(Bi₂O₂)(Sr)Ta₂O₇

Species	DJ	ACI	RP	AVI
Formula	A′A_n_-1B_nX₃_n₊₁	(A′A)_n_-1B_nX₃_n₊₁	(A′A) _n₊₁B_nX₃_n₊₁	Bi₂O₂A_n_-1B_nX₃_n₊₁
Stacking sequence	[(A′)(A_n_-1BX)_n]	[(A′X)(ABX)_n]	[(A′X)(ABX)_n]	[(Bi₂O₂)(A_n_-1BX)_n]
A relative shift of the layers along the ab?plane	(0, 0) shift	(1/2, 0) shift	(1/2, 1/2) shift	(1/2, 1/2) shift
n=3 exemplar	3AMP(MA)₂Pb₃I₁₁	GA₂MA₃Pb₃I₁₁	BA₂(MA)₂Pb₃I₁₁	(Bi₂O₂)(Sr)Ta₂O₇

Perovskite film	E_g/meV
Perovskite film	n=1	n=2	n=3	n=4
BA₂(MA)_n_-1(Pb)_n(I)₃_n₊₁	2.35	2.12	2.01	1.90
3AMP(MA)_n_-1(Pb)_n(I)₃_n₊₁	2.22	2.00	1.90	1.84
GA(MA)_n_-1(Pb)_n(I)₃_n₊₁	2.27	1.99	1.73	—
MAPbI₃	1.60(n=∞)

Perovskite film	E_g/meV
Perovskite film	n=1	n=2	n=3	n=4
BA₂(MA)_n_-1(Pb)_n(I)₃_n₊₁	2.35	2.12	2.01	1.90
3AMP(MA)_n_-1(Pb)_n(I)₃_n₊₁	2.22	2.00	1.90	1.84
GA(MA)_n_-1(Pb)_n(I)₃_n₊₁	2.27	1.99	1.73	—
MAPbI₃	1.60(n=∞)

A′ site	Structure	Device configuration	PCE(%)	Stability	Ref.
iso?BA	(iso?BA)₂MA₃Pb₄I₁₃ (n=4)	FTO/C60/2D PER/ Spiro?OMeTAD/Au	10.6	―	[102]
AA	AA₂MA₃Pb₄I₁₃ (n=4)	ITO/PTAA/2D PER/C60/ BCP/Ag	18.4	99% of PCE after 1850 h (N₂gloves)	[105]
F?PEA	(F?PEA)₂MA₄Pb₅I₁₆ (n=5)	FTO/c?TiO2/2D PER/ Spiro?OMeTAD/Au	13.6	65% of PCE after 576 h (70 ℃, N₂gloves)	[104]
MTEA	(MTEA)₂MA₄Pb₅I₁₆ (n=5)	ITO/PEDOT∶PSS/2D PER/P CBM/BCP/Ag	18.0	87.1% of PCE after 1000 h (N₂ gloves, continuous light soaking)	[24]
THMA	THMA₂MA₂Pb₃I₁₀ (n=3)	ITO/PEDOT∶ PSS/2DPER/ PCBM/BCP/Ag	15.4	90% of PCE after 1000 h (N₂ gloves)	[103]
4AEP	(4AEP)₂MA₄Pb₅I₁₆ (n=5)	FTO/C60/2D PER/ Spiro?OMeTAD/Au	11.6	95% of PCE after 1000 h (atmosphere, humidity 30%)	[101]