一、引言1.1研究背景與意義隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)、無污染的能源，受到了廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能電池作為將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和穩(wěn)定性直接影響著太陽(yáng)能的利用效率和應(yīng)用范圍。在眾多太陽(yáng)能電池材料中，鈣鈦礦材料因其具有優(yōu)異的光電性能、低成本的制備工藝以及可溶液加工等特點(diǎn)，成為了近年來研究的熱點(diǎn)。二維鈣鈦礦作為鈣鈦礦材料家族的重要成員，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的三維鈣鈦礦相比，二維鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)中引入了有機(jī)間隔陽(yáng)離子，形成了層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了二維鈣鈦礦許多優(yōu)異的性能，如較高的穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)的帶隙、較大的激子結(jié)合能等。在穩(wěn)定性方面，有機(jī)間隔陽(yáng)離子的存在有效地阻擋了水分和氧氣的侵入，從而提高了材料的抗降解能力。二維鈣鈦礦的可調(diào)節(jié)帶隙特性使其能夠適應(yīng)不同的光吸收需求，為實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換提供了更多的可能性。二維鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。深入研究二維鈣鈦礦的結(jié)晶機(jī)理，有助于揭示其結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。通過對(duì)結(jié)晶過程的精確控制，可以制備出高質(zhì)量的二維鈣鈦礦薄膜，提高太陽(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性。這對(duì)于推動(dòng)太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展，降低太陽(yáng)能發(fā)電成本，實(shí)現(xiàn)清潔能源的廣泛應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究取得了顯著進(jìn)展。一些研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化制備工藝和材料組成，實(shí)現(xiàn)了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。如悉尼大學(xué)鄭榮坤和上海交通大學(xué)楊旭東等人提出的去模板結(jié)晶策略，通過在兩步沉積中開發(fā)穩(wěn)定的中間相來控制二維鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，成功制備出晶粒尺寸超過5μm、載流子壽命增加4倍的高度垂直取向晶體，基于此優(yōu)化的二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了21.16%的高功率轉(zhuǎn)換效率。但目前二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍面臨一些挑戰(zhàn)，如結(jié)晶質(zhì)量的控制、界面兼容性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性等問題，這些問題限制了其進(jìn)一步的商業(yè)化應(yīng)用。因此，深入研究二維鈣鈦礦的結(jié)晶機(jī)理及其在高性能太陽(yáng)電池中的應(yīng)用，對(duì)于解決這些問題具有重要的指導(dǎo)意義。1.2二維鈣鈦礦概述二維鈣鈦礦的基本結(jié)構(gòu)是由有機(jī)間隔陽(yáng)離子和無機(jī)鈣鈦礦層交替排列組成，形成了獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以看作是在三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過引入大尺寸的有機(jī)陽(yáng)離子，將三維結(jié)構(gòu)沿著某一方向進(jìn)行了“裁剪”，從而形成了二維的層狀結(jié)構(gòu)。在二維鈣鈦礦中，無機(jī)鈣鈦礦層通常由[BX?]八面體（B為金屬離子，如Pb2?、Sn2?等；X為鹵素離子，如Cl?、Br?、I?等）通過共角連接形成二維平面，而有機(jī)間隔陽(yáng)離子則位于無機(jī)層之間，起到支撐和隔離的作用。以常見的Ruddlesden-Popper（RP）型二維鈣鈦礦為例，其化學(xué)通式為A'?A???B?X????，其中A'為一價(jià)的有機(jī)胺陽(yáng)離子，如正丁胺（BA?）、苯乙胺（PEA?）等；A為較小的有機(jī)胺陽(yáng)離子，如CH?NH??（MA?）、HC(NH?)??（FA?）等；n代表無機(jī)八面體[BX?]的層數(shù)。這種獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)賦予了二維鈣鈦礦許多優(yōu)異的特性。在穩(wěn)定性方面，有機(jī)間隔陽(yáng)離子形成的疏水層有效地阻擋了水分和氧氣的侵入，從而提高了材料的抗降解能力。研究表明，二維鈣鈦礦在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于三維鈣鈦礦，能夠在相對(duì)濕度較高的條件下保持較好的性能。在帶隙可調(diào)節(jié)性方面，二維鈣鈦礦的帶隙可以通過改變無機(jī)層的厚度（即n值）或有機(jī)陽(yáng)離子的種類來進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著n值的增加，二維鈣鈦礦的帶隙逐漸減小，這使得二維鈣鈦礦能夠適應(yīng)不同的光吸收需求，為實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換提供了更多的可能性。二維鈣鈦礦還具有較大的激子結(jié)合能，這有利于激子的形成和穩(wěn)定，在光電應(yīng)用中具有重要的意義。與其他維度的鈣鈦礦相比，二維鈣鈦礦具有顯著的優(yōu)勢(shì)。與三維鈣鈦礦相比，二維鈣鈦礦的穩(wěn)定性更高，這是由于有機(jī)間隔陽(yáng)離子的存在有效地保護(hù)了無機(jī)鈣鈦礦層，使其不易受到外界環(huán)境的影響。二維鈣鈦礦的帶隙可調(diào)節(jié)性也為其在光電器件中的應(yīng)用提供了更多的靈活性。而與一維鈣鈦礦相比，二維鈣鈦礦的載流子傳輸性能更好，因?yàn)槎S平面結(jié)構(gòu)為載流子提供了更廣闊的傳輸通道，有利于提高器件的性能。二維鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)和特性使其在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)器等光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，二維鈣鈦礦作為吸光層材料，展現(xiàn)出了良好的光電轉(zhuǎn)換性能和穩(wěn)定性，為提高太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性提供了新的思路和方法。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探究二維鈣鈦礦的結(jié)晶機(jī)理，并基于此開發(fā)出提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的有效策略，具體研究目的如下：揭示二維鈣鈦礦結(jié)晶過程的微觀機(jī)制：運(yùn)用先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計(jì)算方法，深入研究二維鈣鈦礦在溶液法制備過程中的成核、生長(zhǎng)以及晶體結(jié)構(gòu)演變等過程，明確影響結(jié)晶質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)晶過程的精確控制提供理論依據(jù)。優(yōu)化二維鈣鈦礦薄膜的制備工藝：基于對(duì)結(jié)晶機(jī)理的理解，通過調(diào)控前驅(qū)體溶液的組成、添加劑的種類和含量、制備過程中的溫度和濕度等條件，優(yōu)化二維鈣鈦礦薄膜的制備工藝，提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，包括增大晶粒尺寸、減少缺陷密度、調(diào)控晶體取向等，從而提升太陽(yáng)能電池的性能。提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能：通過優(yōu)化二維鈣鈦礦薄膜的制備工藝以及改善電池的界面結(jié)構(gòu)和電荷傳輸性能，提高二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。研究不同界面修飾材料和方法對(duì)電池性能的影響，探索提高電池穩(wěn)定性的有效途徑，為二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在結(jié)晶機(jī)理研究方面，本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合多種先進(jìn)的原位表征技術(shù)，如原位X射線衍射（XRD）、原位光致發(fā)光光譜（PL）以及掃描探針顯微鏡（SPM）等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二維鈣鈦礦在結(jié)晶過程中的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)變化，從而更全面、深入地揭示結(jié)晶過程的微觀機(jī)制。通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從原子和分子層面理解結(jié)晶過程中的能量變化和化學(xué)反應(yīng)，為結(jié)晶機(jī)理的研究提供新的視角和理論支持。在提升太陽(yáng)電池性能方面，本研究的創(chuàng)新之處在于提出一種全新的界面工程策略，通過引入具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的界面修飾材料，改善二維鈣鈦礦與電極之間的界面兼容性和電荷傳輸性能，有效降低界面電荷復(fù)合，提高電池的開路電壓和填充因子，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。探索將二維鈣鈦礦與其他新型材料復(fù)合，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用材料之間的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步優(yōu)化電池的性能和穩(wěn)定性。二、二維鈣鈦礦的結(jié)晶機(jī)理2.1結(jié)晶過程基礎(chǔ)理論二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到成核、生長(zhǎng)等多個(gè)階段，這些階段相互關(guān)聯(lián)，共同決定了最終晶體的質(zhì)量和性能。成核是結(jié)晶過程的起始階段，可分為均相成核和異相成核。均相成核是指在均勻的溶液體系中，溶質(zhì)分子由于熱運(yùn)動(dòng)的偶然聚集，形成微小的晶核。這一過程需要克服一定的能量障礙，即形成臨界晶核所需的能量。根據(jù)經(jīng)典成核理論，成核速率與體系的過飽和度、溫度等因素密切相關(guān)。過飽和度越高，成核速率越快；溫度則通過影響分子的熱運(yùn)動(dòng)和界面能來影響成核過程。而異相成核則是在溶液中存在的雜質(zhì)、容器壁或其他外來物質(zhì)表面進(jìn)行的。這些外來物質(zhì)提供了現(xiàn)成的表面，降低了成核的能量壁壘，使得晶核更容易形成。在二維鈣鈦礦的制備過程中，由于溶液中不可避免地存在各種微小顆?；螂s質(zhì)，異相成核往往起著重要的作用。當(dāng)晶核形成后，便進(jìn)入生長(zhǎng)階段。在這個(gè)階段，溶液中的溶質(zhì)分子不斷地?cái)U(kuò)散到晶核表面，并按照一定的晶體結(jié)構(gòu)排列，使晶核逐漸長(zhǎng)大。晶體生長(zhǎng)的速率受到多種因素的制約，包括溶質(zhì)的擴(kuò)散速率、晶體表面的反應(yīng)活性以及生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度等。在擴(kuò)散控制的生長(zhǎng)過程中，溶質(zhì)分子的擴(kuò)散速率是決定晶體生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵因素。此時(shí)，提高溶液的溫度或攪拌速度，可以加快溶質(zhì)分子的擴(kuò)散，從而促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)。而在表面反應(yīng)控制的生長(zhǎng)過程中，晶體表面與溶質(zhì)分子之間的化學(xué)反應(yīng)速率成為限制因素。通過調(diào)節(jié)溶液的酸堿度、添加合適的添加劑等方法，可以改變晶體表面的反應(yīng)活性，進(jìn)而影響晶體的生長(zhǎng)速率。在晶體生長(zhǎng)過程中，還會(huì)出現(xiàn)晶體取向的問題。二維鈣鈦礦由于其層狀結(jié)構(gòu)，晶體在不同方向上的生長(zhǎng)速率和界面能存在差異，導(dǎo)致晶體在生長(zhǎng)過程中會(huì)呈現(xiàn)出不同的取向。晶體取向?qū)ΧS鈣鈦礦的性能有著重要影響，例如垂直取向的晶體在電荷傳輸方面通常具有更好的性能，因?yàn)檫@種取向有利于載流子沿著晶體的層間方向傳輸，減少了晶界對(duì)載流子的散射。而隨機(jī)取向的晶體則可能導(dǎo)致電荷傳輸路徑的曲折，增加了電荷復(fù)合的概率，從而降低了材料的光電性能。因此，在二維鈣鈦礦的制備過程中，如何調(diào)控晶體取向，使其具有有利于性能提升的取向，是研究的重點(diǎn)之一。在二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中，還可能會(huì)出現(xiàn)多晶型現(xiàn)象，即同一種化學(xué)組成的物質(zhì)可以形成不同晶體結(jié)構(gòu)的晶體。不同晶型的二維鈣鈦礦在性能上可能存在顯著差異，例如帶隙、穩(wěn)定性等。多晶型的形成與結(jié)晶條件密切相關(guān)，如溶液的濃度、溫度、添加劑的種類和含量等。通過精確控制這些結(jié)晶條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維鈣鈦礦晶型的調(diào)控，從而獲得具有特定性能的晶體材料。2.2影響結(jié)晶的因素分析2.2.1前驅(qū)體溶液組成前驅(qū)體溶液的組成對(duì)二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程有著至關(guān)重要的影響，其中各成分的比例變化會(huì)直接改變晶體的生長(zhǎng)環(huán)境和熱力學(xué)條件，進(jìn)而影響晶體的質(zhì)量和性能。以典型的RP型二維鈣鈦礦（A'?A???B?X????）為例，有機(jī)間隔陽(yáng)離子A'與無機(jī)陽(yáng)離子A、B以及鹵素離子X的比例關(guān)系對(duì)結(jié)晶過程起著關(guān)鍵作用。當(dāng)有機(jī)間隔陽(yáng)離子A'的含量相對(duì)較高時(shí)，其在溶液中形成的濃度梯度會(huì)影響晶體的成核和生長(zhǎng)。在成核階段，高濃度的A'會(huì)增加溶液中晶核形成的概率，導(dǎo)致成核數(shù)量增多。過多的晶核會(huì)在生長(zhǎng)階段競(jìng)爭(zhēng)有限的溶質(zhì)資源，使得晶體生長(zhǎng)受限，最終形成的晶粒尺寸較小。這種情況下，晶界數(shù)量增多，晶界處的缺陷和陷阱密度也相應(yīng)增加，這對(duì)載流子的傳輸極為不利。載流子在晶界處容易發(fā)生散射和復(fù)合，從而降低了材料的光電性能。在一些研究中，通過調(diào)節(jié)正丁胺（BA?）與其他陽(yáng)離子的比例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)BA?含量過高時(shí)，制備出的二維鈣鈦礦薄膜中晶粒尺寸明顯減小，薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率也隨之降低。相反，當(dāng)有機(jī)間隔陽(yáng)離子A'的含量較低時(shí)，無機(jī)陽(yáng)離子A、B和鹵素離子X之間的相互作用增強(qiáng)，有利于形成較大尺寸的晶體。在這種情況下，晶體生長(zhǎng)過程中溶質(zhì)的供應(yīng)相對(duì)充足，晶體能夠在較少的晶核上持續(xù)生長(zhǎng)，從而形成較大的晶粒。較大的晶粒意味著晶界數(shù)量減少，晶界對(duì)載流子的散射和復(fù)合作用減弱，有利于提高載流子的傳輸效率，進(jìn)而提升材料的光電性能。但如果A'含量過低，可能會(huì)導(dǎo)致無機(jī)層之間的相互作用過強(qiáng)，破壞二維鈣鈦礦的層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使材料的穩(wěn)定性下降。無機(jī)陽(yáng)離子A、B與鹵素離子X的比例也對(duì)結(jié)晶過程產(chǎn)生重要影響。以Pb2?與I?的比例為例，當(dāng)Pb2?相對(duì)過量時(shí)，在結(jié)晶過程中可能會(huì)形成更多的PbI?雜質(zhì)相。這些雜質(zhì)相的存在不僅會(huì)影響二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)完整性，還會(huì)引入額外的缺陷，影響載流子的傳輸和復(fù)合過程。研究表明，PbI?雜質(zhì)相的存在會(huì)導(dǎo)致材料的光吸收性能發(fā)生變化，同時(shí)增加了載流子的非輻射復(fù)合中心，降低了材料的發(fā)光效率和光電轉(zhuǎn)換效率。而當(dāng)I?相對(duì)過量時(shí)，可能會(huì)在晶體中形成碘空位等缺陷，這些缺陷同樣會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。碘空位的存在會(huì)改變材料的電學(xué)性質(zhì)，影響載流子的濃度和遷移率，進(jìn)而降低材料的光電性能。前驅(qū)體溶液中各成分比例的精確調(diào)控是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量二維鈣鈦礦結(jié)晶的關(guān)鍵。通過合理調(diào)整有機(jī)間隔陽(yáng)離子與無機(jī)陽(yáng)離子、鹵素離子的比例，可以優(yōu)化晶體的生長(zhǎng)過程，獲得晶粒尺寸適中、缺陷密度低、性能優(yōu)異的二維鈣鈦礦材料，為其在太陽(yáng)能電池等光電器件中的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。2.2.2添加劑的作用在二維鈣鈦礦的制備過程中，添加劑的引入能夠?qū)Y(jié)晶過程和晶體取向進(jìn)行有效的調(diào)控，從而顯著影響材料的性能。氯離子作為一種常見的添加劑，在二維鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳剛課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，氯離子添加劑能夠原位觀察并調(diào)控二維層狀鈣鈦礦的晶體取向。他們采用同步輻射原位掠入射X射線衍射技術(shù)，對(duì)不同氯離子添加劑含量的二維層狀鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)表征，并結(jié)合光譜學(xué)分析中間相的轉(zhuǎn)變過程，揭示了氯添加劑的取向調(diào)制機(jī)制。研究結(jié)果表明，氯離子的加入會(huì)誘導(dǎo)形成兩種新的與氯相關(guān)的中間體，這些中間體作為誘導(dǎo)二維層狀鈣鈦礦薄膜定向生長(zhǎng)的模板，對(duì)晶體取向起到了關(guān)鍵的調(diào)控作用。當(dāng)氯離子添加劑的含量適當(dāng)時(shí)，它能夠促進(jìn)二維鈣鈦礦晶體沿著特定方向生長(zhǎng)，形成垂直取向的晶體結(jié)構(gòu)。垂直取向的晶體在電荷傳輸方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種取向有利于載流子沿著晶體的層間方向傳輸，減少了晶界對(duì)載流子的散射，從而提高了電荷傳輸效率。在太陽(yáng)能電池中，電荷傳輸效率的提高意味著更多的光生載流子能夠被有效地收集和利用，進(jìn)而提高了電池的開路電壓和填充因子，最終提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。該課題組通過將垂直取向的二維層狀鈣鈦礦晶體應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，獲得了優(yōu)越的器件性能，驗(yàn)證了氯離子添加劑對(duì)晶體取向調(diào)控的有效性。氯離子添加劑還可以通過改變晶體的表面能和界面性質(zhì)，影響晶體的生長(zhǎng)速率和形態(tài)。在晶體生長(zhǎng)過程中，氯離子可以吸附在晶體表面，改變晶體表面的電荷分布和化學(xué)活性，從而影響溶質(zhì)分子在晶體表面的吸附和沉積速率。這種作用可以使晶體生長(zhǎng)更加均勻，減少晶體缺陷的產(chǎn)生，提高晶體的質(zhì)量。氯離子添加劑還可以抑制雜質(zhì)相的形成，進(jìn)一步優(yōu)化二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)和性能。除了氯離子，其他添加劑如銨鹽、有機(jī)分子等也在二維鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。一些銨鹽添加劑可以通過與鈣鈦礦前驅(qū)體中的離子相互作用，調(diào)節(jié)晶體的成核和生長(zhǎng)速率，從而控制晶體的尺寸和形貌。有機(jī)分子添加劑則可以通過與鈣鈦礦晶體表面的相互作用，改變晶體的表面性質(zhì)和取向，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。這些添加劑的作用機(jī)制各不相同，但它們都為二維鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控提供了有效的手段，為制備高性能的二維鈣鈦礦材料和器件提供了重要的技術(shù)支持。2.2.3環(huán)境條件的影響環(huán)境條件如溫度、濕度等對(duì)二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程有著顯著的影響，這些因素的變化會(huì)改變結(jié)晶過程中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，進(jìn)而影響晶體的質(zhì)量和性能。溫度是影響二維鈣鈦礦結(jié)晶的重要環(huán)境因素之一。在低溫環(huán)境下，溶液中分子的熱運(yùn)動(dòng)減緩，溶質(zhì)的擴(kuò)散速率降低，這會(huì)導(dǎo)致晶體的成核和生長(zhǎng)速率變慢。成核速率的降低意味著在結(jié)晶初期形成的晶核數(shù)量較少，而生長(zhǎng)速率的減慢則使得晶體有足夠的時(shí)間在已有的晶核上緩慢生長(zhǎng)，從而有利于形成較大尺寸的晶粒。但低溫條件下，晶體生長(zhǎng)過程中可能會(huì)出現(xiàn)溶質(zhì)供應(yīng)不足的情況，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)不完全，容易產(chǎn)生缺陷。較低的溫度還可能使結(jié)晶過程中的一些化學(xué)反應(yīng)難以充分進(jìn)行，影響晶體的結(jié)構(gòu)完整性。高溫環(huán)境則會(huì)加速分子的熱運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)的擴(kuò)散，使晶體的成核和生長(zhǎng)速率加快?？焖俚某珊藭?huì)導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)形成大量的晶核，這些晶核在生長(zhǎng)過程中競(jìng)爭(zhēng)有限的溶質(zhì)資源，使得每個(gè)晶核的生長(zhǎng)空間受限，最終形成的晶粒尺寸較小。高溫還可能導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過程中的不穩(wěn)定性增加，容易出現(xiàn)晶體的團(tuán)聚、變形等問題，從而影響晶體的質(zhì)量。高溫條件下，溶劑的揮發(fā)速度加快，可能會(huì)導(dǎo)致溶液的濃度不均勻，進(jìn)一步影響晶體的生長(zhǎng)均勻性。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳剛課題組在研究熱空氣輔助制備大面積二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱空氣誘導(dǎo)溶質(zhì)凝固，在氣液界面處形成中間體，轉(zhuǎn)化為類三維鈣鈦礦，接著以之為模板生成具有擇優(yōu)取向的二維鈣鈦礦薄膜。在熱空氣輔助下，通過調(diào)控二維鈣鈦礦成核和生長(zhǎng)的過程，制備出擇優(yōu)取向、結(jié)晶性好、缺陷少的二維鈣鈦礦薄膜，不同濕度下采用該方法制備的二維鈣鈦礦薄膜均表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。這表明溫度的精確控制可以有效調(diào)控二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程，獲得高質(zhì)量的晶體薄膜。濕度對(duì)二維鈣鈦礦結(jié)晶的影響也不容忽視。在高濕度環(huán)境下，水分容易進(jìn)入鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，與溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響結(jié)晶過程。水分可能會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦前驅(qū)體的水解，生成一些副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物會(huì)干擾晶體的正常生長(zhǎng)，形成缺陷。高濕度還可能影響晶體的表面性質(zhì)和界面能，導(dǎo)致晶體的生長(zhǎng)方向和形態(tài)發(fā)生改變。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)，制備出的二維鈣鈦礦薄膜中容易出現(xiàn)針孔、裂紋等缺陷，這是由于水分的存在破壞了晶體的生長(zhǎng)連續(xù)性，導(dǎo)致薄膜的質(zhì)量下降。相反，在低濕度環(huán)境下，雖然可以避免水分對(duì)結(jié)晶過程的干擾，但可能會(huì)導(dǎo)致溶劑揮發(fā)過快，使溶液的濃度迅速增加，從而影響晶體的成核和生長(zhǎng)。溶劑揮發(fā)過快還可能導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過程中的溫度分布不均勻，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使晶體出現(xiàn)變形或開裂等問題。溫度和濕度等環(huán)境條件對(duì)二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程有著復(fù)雜的影響。通過精確控制這些環(huán)境條件，可以優(yōu)化二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程，獲得高質(zhì)量的晶體薄膜，為二維鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池等光電器件中的應(yīng)用提供有力保障。2.3結(jié)晶機(jī)理的研究方法2.3.1同步輻射原位掠入射X射線衍射技術(shù)同步輻射原位掠入射X射線衍射（GI-XRD）技術(shù)在研究二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為深入理解其結(jié)晶機(jī)理提供了重要手段。該技術(shù)利用同步輻射光源的高強(qiáng)度、高準(zhǔn)直性和寬波段特性，能夠在二維鈣鈦礦薄膜的制備過程中，實(shí)時(shí)、原位地監(jiān)測(cè)晶體結(jié)構(gòu)的變化。在二維鈣鈦礦薄膜的制備過程中，GI-XRD技術(shù)可以精確跟蹤晶體的成核和生長(zhǎng)過程。通過對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的衍射圖譜進(jìn)行分析，能夠確定晶核形成的時(shí)間、位置以及晶體生長(zhǎng)的速率和方向。在旋涂法制備二維鈣鈦礦薄膜時(shí)，利用GI-XRD技術(shù)可以觀察到隨著溶劑的揮發(fā)，前驅(qū)體溶液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，隨后晶體開始生長(zhǎng)的過程。通過對(duì)衍射峰的強(qiáng)度和位置變化進(jìn)行分析，可以得到晶體生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)信息，如晶體生長(zhǎng)的活化能、生長(zhǎng)速率常數(shù)等。GI-XRD技術(shù)還能夠揭示二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中的晶體取向變化。由于二維鈣鈦礦具有層狀結(jié)構(gòu)，晶體在不同方向上的生長(zhǎng)速率和界面能存在差異，導(dǎo)致晶體在生長(zhǎng)過程中會(huì)呈現(xiàn)出不同的取向。GI-XRD技術(shù)可以通過測(cè)量不同晶面的衍射強(qiáng)度，確定晶體的取向分布。通過對(duì)不同添加劑含量的二維鈣鈦礦薄膜進(jìn)行GI-XRD分析，發(fā)現(xiàn)氯離子添加劑能夠誘導(dǎo)形成特定的晶面取向，從而調(diào)控晶體的生長(zhǎng)方向。這種對(duì)晶體取向的精確調(diào)控對(duì)于提高二維鈣鈦礦的光電性能具有重要意義，因?yàn)榇怪比∠虻木w在電荷傳輸方面通常具有更好的性能。該技術(shù)還可以用于研究二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。在二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程中，可能會(huì)出現(xiàn)多種相態(tài)，如RP相、Dion-Jacobson相以及不同n值的二維鈣鈦礦相等。通過對(duì)衍射圖譜的分析，可以準(zhǔn)確識(shí)別不同相態(tài)的存在，并研究它們之間的轉(zhuǎn)變過程。在一些研究中，利用GI-XRD技術(shù)觀察到在特定的溫度和添加劑條件下，二維鈣鈦礦會(huì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)，這種相轉(zhuǎn)變對(duì)材料的性能有著重要影響。同步輻射原位掠入射X射線衍射技術(shù)為研究二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程提供了豐富的信息，在揭示二維鈣鈦礦結(jié)晶機(jī)理、優(yōu)化制備工藝以及提高材料性能等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2.3.2光譜學(xué)分析光譜學(xué)分析手段在研究二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中的中間相轉(zhuǎn)變方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為深入理解結(jié)晶機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。光致發(fā)光光譜（PL）是一種常用的光譜學(xué)分析方法，它能夠靈敏地反映材料中電子的躍遷和復(fù)合過程，從而提供關(guān)于中間相轉(zhuǎn)變的信息。在二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中，隨著中間相的形成和轉(zhuǎn)變，材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這些變化會(huì)直接反映在PL光譜的特征上。在結(jié)晶初期，前驅(qū)體溶液中的離子尚未完全形成穩(wěn)定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，此時(shí)PL光譜可能表現(xiàn)出較弱的發(fā)光強(qiáng)度和較寬的峰形，這是由于存在大量的非輻射復(fù)合中心和缺陷態(tài)。隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，中間相逐漸形成，PL光譜的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)逐漸增強(qiáng)，峰形會(huì)變得更加尖銳，這表明晶體結(jié)構(gòu)逐漸完善，缺陷態(tài)減少，輻射復(fù)合過程增強(qiáng)。當(dāng)中間相進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的二維鈣鈦礦相時(shí)，PL光譜會(huì)出現(xiàn)明顯的特征峰位移和強(qiáng)度變化，這與二維鈣鈦礦的能帶結(jié)構(gòu)和激子特性密切相關(guān)。通過對(duì)PL光譜的時(shí)間分辨測(cè)量，還可以研究激子的壽命和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，進(jìn)一步了解中間相轉(zhuǎn)變過程中的載流子行為。吸收光譜也是研究二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中間相轉(zhuǎn)變的重要手段。吸收光譜能夠反映材料對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力，與材料的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布密切相關(guān)。在二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中，不同的中間相具有不同的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)特征，因此它們的吸收光譜也會(huì)有所不同。通過測(cè)量吸收光譜的變化，可以跟蹤中間相的形成和轉(zhuǎn)變過程。在某些情況下，中間相的形成會(huì)導(dǎo)致吸收光譜在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)新的吸收峰，這些吸收峰的出現(xiàn)和消失可以作為中間相轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。吸收光譜的變化還可以反映出材料中晶體結(jié)構(gòu)的變化，如晶體的對(duì)稱性、晶格常數(shù)等，從而為理解中間相轉(zhuǎn)變的機(jī)制提供重要線索。拉曼光譜則可以提供關(guān)于材料分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵振動(dòng)的信息，對(duì)于研究二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中的中間相轉(zhuǎn)變也具有重要意義。在二維鈣鈦礦中，有機(jī)陽(yáng)離子和無機(jī)八面體之間的相互作用以及無機(jī)八面體的振動(dòng)模式都會(huì)在拉曼光譜中表現(xiàn)出特定的峰位和強(qiáng)度。在結(jié)晶過程中，隨著中間相的轉(zhuǎn)變，這些相互作用和振動(dòng)模式會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致拉曼光譜的特征峰發(fā)生位移和強(qiáng)度變化。通過對(duì)拉曼光譜的分析，可以了解中間相中分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化情況，進(jìn)而揭示中間相轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)制。光譜學(xué)分析手段通過對(duì)二維鈣鈦礦結(jié)晶過程中光致發(fā)光、光吸收以及分子結(jié)構(gòu)振動(dòng)等特性的研究，為深入理解中間相轉(zhuǎn)變過程提供了全面、細(xì)致的信息，有助于揭示二維鈣鈦礦結(jié)晶的微觀機(jī)制，為優(yōu)化材料制備工藝和提高材料性能提供理論指導(dǎo)。三、基于二維鈣鈦礦的高性能太陽(yáng)電池研究3.1二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池的工作原理二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池的工作原理基于光電效應(yīng)，其核心過程是將光能轉(zhuǎn)化為電能，這一過程涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟都與二維鈣鈦礦的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和光電性能密切相關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池上時(shí)，首先是二維鈣鈦礦吸光層吸收光子。二維鈣鈦礦由于其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和電子能帶特性，能夠有效地吸收特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子。在二維鈣鈦礦中，無機(jī)鈣鈦礦層由[BX?]八面體通過共角連接形成二維平面，有機(jī)間隔陽(yáng)離子位于無機(jī)層之間。這種結(jié)構(gòu)使得二維鈣鈦礦具有可調(diào)節(jié)的帶隙，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求，通過改變無機(jī)層的厚度（即n值）或有機(jī)陽(yáng)離子的種類來調(diào)整對(duì)光的吸收范圍。當(dāng)光子能量大于二維鈣鈦礦的帶隙時(shí)，光子被吸收，使得鈣鈦礦中的電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這一過程稱為光生載流子的產(chǎn)生。光生載流子產(chǎn)生后，需要被有效地分離，以避免它們重新復(fù)合。二維鈣鈦礦中較大的激子結(jié)合能在一定程度上有利于激子的形成和穩(wěn)定，但也可能導(dǎo)致電子-空穴對(duì)的分離困難。為了實(shí)現(xiàn)高效的載流子分離，二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池通常采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用不同材料之間的能級(jí)差來驅(qū)動(dòng)電子和空穴的分離。在常見的二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)中，通常會(huì)在二維鈣鈦礦吸光層兩側(cè)分別引入電子傳輸層和空穴傳輸層。電子傳輸層具有較低的導(dǎo)帶能級(jí)，能夠有效地接受從二維鈣鈦礦導(dǎo)帶注入的電子，并將其傳輸?shù)截?fù)極；而空穴傳輸層具有較高的價(jià)帶能級(jí)，能夠接受從二維鈣鈦礦價(jià)帶躍遷的空穴，并將其傳輸?shù)秸龢O。通過這種方式，光生電子和空穴在電場(chǎng)的作用下分別向相反的方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了有效的分離。分離后的電子和空穴需要被快速傳輸?shù)诫姌O，以形成電流輸出。在二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池中，載流子的傳輸主要依賴于二維鈣鈦礦晶體內(nèi)部以及各功能層之間的界面。晶體的質(zhì)量和取向?qū)d流子傳輸有著重要影響。高質(zhì)量的二維鈣鈦礦晶體具有較少的缺陷和陷阱，能夠減少載流子在傳輸過程中的散射和復(fù)合，從而提高載流子的遷移率和傳輸效率。垂直取向的晶體在電荷傳輸方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種取向有利于載流子沿著晶體的層間方向傳輸，減少了晶界對(duì)載流子的散射，為載流子提供了更直接的傳輸路徑，使得電子和空穴能夠快速地到達(dá)電極。當(dāng)電子和空穴分別到達(dá)負(fù)極和正極后，通過外電路形成閉合回路，從而產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)了將光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。在整個(gè)工作過程中，二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池的性能受到多種因素的影響，包括二維鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量、界面兼容性、電荷傳輸性能以及電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。通過優(yōu)化這些因素，可以提高二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，使其在太陽(yáng)能利用領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。3.2電池性能提升策略3.2.1界面工程界面工程在二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能提升中起著關(guān)鍵作用，通過優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可以有效改善電荷傳輸和復(fù)合過程，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。河南大學(xué)張普濤團(tuán)隊(duì)在這方面開展了深入研究，提出了通過在氧化錫（IV）和鈣鈦礦層之間插入基于萘酰亞胺衍生物（CATNI）的薄界面層來提升電池性能的策略。在平面正式碳基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，空穴傳輸層的存在使得電池可以在低溫下以低成本制造，展現(xiàn)出大規(guī)模制造的潛力。二維鈣鈦礦由于其較高的穩(wěn)定性，成為此類電池中吸光層材料的理想選擇。然而，電池中各功能層之間的界面兼容性和電荷傳輸效率仍然是影響電池性能的重要因素。張普濤團(tuán)隊(duì)通過在氧化錫（IV）和鈣鈦礦層之間插入基于萘酰亞胺衍生物（CATNI）的薄界面層，成功實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展且高效的全印刷大面積碳基二維鈣鈦礦模組。研究表明，該界面層的引入帶來了多方面的積極影響。它有利于界面接觸的形成，使得氧化錫（IV）與鈣鈦礦層之間的連接更加緊密，減少了界面處的電阻，從而提高了電荷傳輸?shù)男?。該界面層能夠抑制能量損失。在電荷傳輸過程中，界面處往往容易發(fā)生能量損失，導(dǎo)致電池性能下降。而基于CATNI的界面層可以有效地減少這種能量損失，使得更多的能量能夠被有效地利用，用于產(chǎn)生光生載流子和驅(qū)動(dòng)電荷傳輸。通過該界面層的引入，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)得到了顯著提高，特別是開路電壓（Voc）值。開路電壓顯著提高至1.13V，器件效率值達(dá)到18%以上，這是迄今為止報(bào)道的全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高值之一。研究發(fā)現(xiàn)，通過部署這種基于CATNI的界面層，可以實(shí)現(xiàn)更有效的載流子提取。在光照條件下，二維鈣鈦礦吸光層產(chǎn)生的光生載流子能夠更快速、更有效地被傳輸?shù)诫姌O，減少了載流子在界面處的復(fù)合，從而增強(qiáng)了光譜響應(yīng)，進(jìn)一步改善了這些碳基全印刷器件的開路電壓。該團(tuán)隊(duì)還在尺寸為5.0×5.0cm的ITO玻璃基板上制造了碳電極鈣鈦礦太陽(yáng)能模組。這些制備的組件表現(xiàn)出出色的光伏性能，最高效率值超過14.6%。這一成果表明，通過界面工程策略不僅可以提高小面積電池的性能，還能夠?qū)崿F(xiàn)大面積模組的高效制備，為二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。3.2.2相位調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)是提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的重要策略之一，通過精確調(diào)控二維鈣鈦礦的相位，可以優(yōu)化材料的光電性能，提高電池的效率和穩(wěn)定性。南京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了重要成果，他們利用銣離子（Rb?）對(duì)二維鈣鈦礦的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了電池性能的顯著提升。在二維鈣鈦礦中，不同的相位結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料的光電性能存在差異。例如，Ruddlesden-Popper（RP）相和Dion-Jacobson（DJ）相的二維鈣鈦礦在晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)以及載流子傳輸特性等方面都有所不同。南京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過引入適量的Rb?，可以有效地調(diào)節(jié)二維鈣鈦礦的相位組成，使其形成更加有利于電荷傳輸和光吸收的結(jié)構(gòu)。在研究中，團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，深入探究了Rb?對(duì)二維鈣鈦礦相位調(diào)節(jié)的機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，Rb?的引入會(huì)改變二維鈣鈦礦中無機(jī)鈣鈦礦層與有機(jī)間隔陽(yáng)離子之間的相互作用，從而影響晶體的生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)演變。在一定的Rb?濃度下，能夠促進(jìn)形成具有較少缺陷和更好晶體取向的二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得材料的電荷傳輸效率得到提高，載流子在材料內(nèi)部的遷移更加順暢，減少了電荷復(fù)合的概率。Rb?的引入還對(duì)二維鈣鈦礦的光吸收性能產(chǎn)生了積極影響。通過調(diào)節(jié)相位，改變了材料的能帶結(jié)構(gòu)，使其能夠更有效地吸收太陽(yáng)光中的光子，提高了光生載流子的產(chǎn)生效率。這種光吸收性能的提升與電荷傳輸性能的優(yōu)化相結(jié)合，使得基于該二維鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提高。除了效率的提升，通過Rb?調(diào)節(jié)相位后的二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出色。優(yōu)化后的相位結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了材料對(duì)環(huán)境因素的抵抗能力，減少了水分和氧氣等對(duì)電池性能的影響。在長(zhǎng)期的光照和濕度條件下，電池能夠保持較好的性能穩(wěn)定性，為其實(shí)際應(yīng)用提供了有力保障。南京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用Rb?調(diào)節(jié)二維鈣鈦礦相位的研究成果，為提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了新的思路和方法。通過精確的相位調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電池效率和穩(wěn)定性的雙重提升，為二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2.3定制二維鈣鈦礦界面定制二維鈣鈦礦界面是提升全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池性能的一種創(chuàng)新策略，通過對(duì)二維鈣鈦礦界面進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和調(diào)控，可以有效改善電池各功能層之間的兼容性和電荷傳輸性能，從而提高電池的整體性能。南京大學(xué)譚海仁教授課題組在這方面取得了突破性進(jìn)展，為全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的發(fā)展開辟了新的道路。全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池具有超越鈣鈦礦單結(jié)太陽(yáng)能電池理論效率的潛力，且兼?zhèn)湫矢吆统杀镜偷葍?yōu)勢(shì)。大面積制備高性能全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池是產(chǎn)業(yè)化需面對(duì)的重要挑戰(zhàn)，主要難點(diǎn)在于功能層難以均勻成膜導(dǎo)致其性能受限。目前，優(yōu)化空穴傳輸層和調(diào)控鈣鈦礦體結(jié)晶是提升大面積成膜均勻性的常規(guī)策略。但譚海仁教授課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，即使充分優(yōu)化空穴傳輸層和鈣鈦礦體的晶相，大面積器件與小面積器件之間的性能差距仍然較大，可能是由于后續(xù)沉積的電子傳輸層（C??）為器件引入了新的不均勻性。為解決上述問題，研究人員在鈣鈦礦與電子傳輸層之間引入了混合的有機(jī)小分子，構(gòu)建了定制的二維鈣鈦礦作為界面插入層。其中，使用4-氟苯乙胺氯來提升界面均勻性并降低接觸缺陷，使用4-三氟苯胺氯來優(yōu)化電荷傳輸特性。通過這種定制的二維鈣鈦礦界面，有效地解決了大面積全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池中存在的界面不均勻問題。從作用機(jī)制來看，4-氟苯乙胺氯在表面形成二維鈣鈦礦，減少了接觸損失和不均勻性。它能夠填充鈣鈦礦表面的缺陷和空隙，使得鈣鈦礦與電子傳輸層之間的接觸更加緊密和平整，降低了界面電阻，減少了電荷在界面處的復(fù)合。而4-三氟苯胺氯則通過優(yōu)化界面能級(jí)排列，增強(qiáng)了電荷的提取和傳輸。它使得鈣鈦礦與電子傳輸層之間的能級(jí)匹配更加合理，促進(jìn)了光生載流子在界面處的順利轉(zhuǎn)移，提高了電荷傳輸效率。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦用于制備全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池。在活性區(qū)域?yàn)?.05cm2的電池中，實(shí)現(xiàn)了28.2%的轉(zhuǎn)化效率。經(jīng)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)JET第三方認(rèn)證，與當(dāng)前已報(bào)道最佳的小面積全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的數(shù)值相當(dāng)。相關(guān)結(jié)果已被收錄到國(guó)際權(quán)威的太陽(yáng)能電池世界紀(jì)錄效率表《Solarcellefficiencytables》中。南京大學(xué)譚海仁教授課題組通過定制二維鈣鈦礦界面的策略，成功解決了大面積全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池中存在的界面問題，實(shí)現(xiàn)了電池性能的大幅提升。這一成果為全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。3.3電池性能的評(píng)估與測(cè)試評(píng)估二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池性能時(shí)，需考量多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)從不同維度反映了電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力和穩(wěn)定性。光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）是衡量太陽(yáng)能電池性能的核心指標(biāo)，它表示太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力。PCE的計(jì)算公式為：PCE=\frac{P_{max}}{P_{in}}\times100\%，其中P_{max}是電池的最大輸出功率，P_{in}是入射光的功率。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，通常采用1000W/m2的光照強(qiáng)度和AM1.5G光譜，通過測(cè)量鈣鈦礦電池的電流-電壓（J-V）曲線來計(jì)算PCE值。較高的光電轉(zhuǎn)換效率意味著電池能夠更有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而提高能源利用效率。在一些研究中，通過優(yōu)化二維鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量和界面工程，制備出的二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了21.16%，這表明通過有效的性能提升策略，可以顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。開路電壓（V_{OC}）是指在沒有外接負(fù)載時(shí)，電池兩端的電壓。它反映了電池內(nèi)部電場(chǎng)的強(qiáng)度和載流子的分離效率。開路電壓的大小與二維鈣鈦礦的能帶結(jié)構(gòu)、界面特性以及電荷復(fù)合情況密切相關(guān)。當(dāng)電池受到光照時(shí)，光生載流子在電場(chǎng)的作用下被分離，形成開路電壓。如果電池內(nèi)部存在較多的缺陷或電荷復(fù)合中心，會(huì)導(dǎo)致載流子的損失增加，從而降低開路電壓。在一些高性能的二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池中，通過優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和減少缺陷，開路電壓能夠達(dá)到1.13V以上，這為提高電池的整體性能提供了有力支持。短路電流密度（J_{SC}）是指在電池兩端短路時(shí)，通過電池的電流密度。它主要取決于電池對(duì)光的吸收能力和載流子的傳輸效率。二維鈣鈦礦的光吸收特性和晶體質(zhì)量對(duì)短路電流密度有著重要影響。高質(zhì)量的二維鈣鈦礦晶體能夠更有效地吸收光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，并且有利于載流子的傳輸，減少載流子在傳輸過程中的復(fù)合，從而提高短路電流密度。通過優(yōu)化二維鈣鈦礦的結(jié)晶工藝和材料組成，一些研究實(shí)現(xiàn)了較高的短路電流密度，進(jìn)一步提升了電池的性能。填充因子（FF）是衡量電池輸出特性的重要參數(shù)，它反映了電池在實(shí)際工作中輸出功率的能力。填充因子的計(jì)算公式為：FF=\frac{P_{max}}{V_{OC}\timesJ_{SC}}，其中P_{max}是電池的最大輸出功率，V_{OC}是開路電壓，J_{SC}是短路電流密度。填充因子的大小與電池的內(nèi)阻、電荷傳輸效率以及界面特性等因素有關(guān)。如果電池內(nèi)部存在較大的電阻或電荷傳輸不暢，會(huì)導(dǎo)致電池在輸出功率時(shí)出現(xiàn)較大的損失，從而降低填充因子。在二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池中，通過優(yōu)化界面工程和電荷傳輸層的性能，可以有效地提高填充因子，提高電池的輸出功率。穩(wěn)定性是二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池在實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。由于二維鈣鈦礦材料對(duì)環(huán)境因素較為敏感，如濕度、溫度和光照等，電池的性能可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。為了評(píng)估電池的穩(wěn)定性，通常采用加速老化測(cè)試方法，如熱穩(wěn)定性測(cè)試、濕度穩(wěn)定性測(cè)試以及ISOS測(cè)試（如ISOS-D暗態(tài)存儲(chǔ)穩(wěn)定性、ISOS-V暗態(tài)偏壓穩(wěn)定性和ISOS-L光照穩(wěn)定性）等。這些測(cè)試方法能夠模擬電池在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的各種環(huán)境條件，從而評(píng)估其在這些條件下的性能表現(xiàn)。在熱穩(wěn)定性測(cè)試中，將電池置于高溫環(huán)境下，觀察其性能隨時(shí)間的變化；在濕度穩(wěn)定性測(cè)試中，將電池暴露在高濕度環(huán)境中，檢測(cè)其性能的穩(wěn)定性。通過這些穩(wěn)定性測(cè)試，可以評(píng)估電池的可靠性和使用壽命，為其實(shí)際應(yīng)用提供重要參考。在測(cè)試二維鈣鈦礦太陽(yáng)電池性能時(shí)，通常采用一系列專業(yè)的測(cè)試設(shè)備和方法。電流-電壓（J-V）測(cè)試是最常用的測(cè)試方法之一，通過測(cè)量電池在不同偏壓下的電流和電壓，繪制出J-V曲線，從而獲取電池的各項(xiàng)性能參數(shù)，如開路電壓、短路電流密度、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率等。在進(jìn)行J-V測(cè)試時(shí)，需要使用標(biāo)準(zhǔn)的光照模擬器，以確保光照條件的準(zhǔn)確性和一致性。還可以采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試，來研究電池內(nèi)部的電荷傳輸和復(fù)合過程，分析電池的內(nèi)阻和界面特性。光致發(fā)光光譜（PL）測(cè)試可以用于研究二維鈣鈦礦的發(fā)光特性和載流子復(fù)合情況，為評(píng)估電池的性能提供重要信息。四、案例分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.1典型案例研究4.1.1悉尼大學(xué)/上海交大的去模板結(jié)晶策略悉尼大學(xué)鄭榮坤和上海交通大學(xué)楊旭東等人提出的去模板結(jié)晶策略，為提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了一種創(chuàng)新的思路。該策略通過精確控制二維鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，成功地解決了傳統(tǒng)二維鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中存在的一些關(guān)鍵問題。在傳統(tǒng)的二維鈣鈦礦制備過程中，由于量子阱的無序排列和平面生長(zhǎng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致晶體的垂直取向性較差，這在很大程度上阻礙了電荷的有效傳輸，從而限制了太陽(yáng)能電池的效率。悉尼大學(xué)和上海交大的研究團(tuán)隊(duì)通過在兩步沉積過程中開發(fā)穩(wěn)定的中間相，巧妙地控制了二維鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。他們精確調(diào)節(jié)前體溶液中的化學(xué)相互作用，使得在結(jié)晶過程中能夠消除液-氣界面附近的模板化平面生長(zhǎng)，轉(zhuǎn)而促進(jìn)高度垂直取向晶體的形成。這種去模板結(jié)晶策略的實(shí)施，帶來了一系列顯著的效果。在晶體結(jié)構(gòu)方面，成功制備出的晶體晶粒尺寸超過5μm，相比于傳統(tǒng)方法制備的晶體，晶粒尺寸有了大幅提升。較大的晶粒尺寸意味著晶界數(shù)量的減少，而晶界往往是載流子散射和復(fù)合的主要場(chǎng)所，晶界數(shù)量的減少有利于提高載流子的傳輸效率。通過去模板結(jié)晶策略制備的晶體，其載流子壽命增加了4倍，這表明載流子在晶體中的傳輸更加順暢，減少了因復(fù)合而導(dǎo)致的能量損失?；谶@種去模板結(jié)晶策略優(yōu)化后的二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在性能上取得了重大突破。其功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到了21.16%，短路電流達(dá)到了23.71mA/cm2。這一效率在二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域處于較高水平，充分證明了該策略在提升電池性能方面的有效性。這些器件在穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出色。在65±10%濕度下暴露1100小時(shí)、在85°C下運(yùn)行1077小時(shí)或連續(xù)照明1045小時(shí)后，PCE下降幅度均不到5%。這一結(jié)果表明，去模板結(jié)晶策略不僅提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還顯著增強(qiáng)了電池的穩(wěn)定性，使其能夠在不同的環(huán)境條件下保持較好的性能。從原理上分析，該策略通過控制結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，改變了晶體的生長(zhǎng)方式和取向，使得晶體結(jié)構(gòu)更加有序，缺陷減少，從而提高了電荷傳輸效率和電池的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的中間相在結(jié)晶過程中起到了關(guān)鍵的橋梁作用，它為晶體的生長(zhǎng)提供了更有利的環(huán)境，促進(jìn)了垂直取向晶體的形成。這種精確的結(jié)晶控制策略，為二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持，也為其他相關(guān)領(lǐng)域的材料制備和性能優(yōu)化提供了有益的借鑒。4.1.2瑞典查爾默斯理工大學(xué)的模擬研究瑞典查爾默斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)二維鈣鈦礦材料進(jìn)行了深入研究，為理解二維鈣鈦礦材料的性能和設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的光電器件提供了新的視角和方法。在研究過程中，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，能夠直觀地觀察二維鈣鈦礦材料在不同條件下的反應(yīng)。通過模擬，他們獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的微觀描述，這種方法突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的局限性，提供了更廣泛、更細(xì)致的研究視角。在研究材料的光學(xué)性能時(shí)，通過計(jì)算機(jī)模擬可以精確地分析光與材料相互作用的微觀過程，包括光子的吸收、激發(fā)態(tài)的形成以及載流子的產(chǎn)生和傳輸?shù)?，從而深入理解材料的光學(xué)響應(yīng)機(jī)制。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在該研究中也發(fā)揮了重要作用。研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)大量的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，從而揭示了影響二維鈣鈦礦材料性能的關(guān)鍵因素。通過對(duì)不同有機(jī)連接分子和鈣鈦礦層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出哪些因素對(duì)材料的穩(wěn)定性和光學(xué)性能起著決定性作用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型，研究人員發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的有機(jī)連接分子，可以直接控制表面層中原子的移動(dòng)，而表面層原子的移動(dòng)又會(huì)反過來影響鈣鈦礦層深處的原子移動(dòng)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解材料的性能和優(yōu)化材料設(shè)計(jì)具有重要意義。二維鈣鈦礦材料由無機(jī)層和有機(jī)分子交替堆疊而成，層與分子之間的相互作用對(duì)材料的性能有著至關(guān)重要的影響。查爾默斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)深入研究了這些相互作用的精確機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)連接分子的選擇不僅影響表面層原子的移動(dòng)，還會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布，從而影響材料的光學(xué)性能。不同的有機(jī)連接分子會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦層與有機(jī)分子之間的界面電荷分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響載流子在材料中的傳輸和復(fù)合過程。該研究成果為設(shè)計(jì)適用于不同應(yīng)用和溫度變化的設(shè)備提供了更深入的見解。通過對(duì)二維鈣鈦礦材料性能的深入理解，研究人員可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)和組成，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料性能的要求。在設(shè)計(jì)高溫環(huán)境下使用的太陽(yáng)能電池時(shí)，可以選擇具有高熱穩(wěn)定性的有機(jī)連接分子，以確保材料在高溫條件下仍能保持良好的性能。研究成果還為預(yù)測(cè)哪些連接分子和尺寸可以使材料同時(shí)更穩(wěn)定、更高效提供了可能，這將有助于加速新型二維鈣鈦礦材料的開發(fā)和應(yīng)用。瑞典查爾默斯理工大學(xué)利用計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)二維鈣鈦礦材料的研究，為二維鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能電池及其他光電器件中的應(yīng)用提供了重要的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。四、案例分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.1典型案例研究4.1.1悉尼大學(xué)/上海交大的去模板結(jié)晶策略悉尼大學(xué)鄭榮坤和上海交通大學(xué)楊旭東等人提出的去模板結(jié)晶策略，為提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了一種創(chuàng)新的思路。該策略通過精確控制二維鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，成功地解決了傳統(tǒng)二維鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中存在的一些關(guān)鍵問題。在傳統(tǒng)的二維鈣鈦礦制備過程中，由于量子阱的無序排列和平面生長(zhǎng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致晶體的垂直取向性較差，這在很大程度上阻礙了電荷的有效傳輸，從而限制了太陽(yáng)能電池的效率。悉尼大學(xué)和上海交大的研究團(tuán)隊(duì)通過在兩步沉積過程中開發(fā)穩(wěn)定的中間相，巧妙地控制了二維鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。他們精確調(diào)節(jié)前體溶液中的化學(xué)相互作用，使得在結(jié)晶過程中能夠消除液-氣界面附近的模板化平面生長(zhǎng)，轉(zhuǎn)而促進(jìn)高度垂直取向晶體的形成。這種去模板結(jié)晶策略的實(shí)施，帶來了一系列顯著的效果。在晶體結(jié)構(gòu)方面，成功制備出的晶體晶粒尺寸超過5μm，相比于傳統(tǒng)方法制備的晶體，晶粒尺寸有了大幅提升。較大的晶粒尺寸意味著晶界數(shù)量的減少，而晶界往往是載流子散射和復(fù)合的主要場(chǎng)所，晶界數(shù)量的減少有利于提高載流子的傳輸效率。通過去模板結(jié)晶策略制備的晶體，其載流子壽命增加了4倍，這表明載流子在晶體中的傳輸更加順暢，減少了因復(fù)合而導(dǎo)致的能量損失。基于這種去模板結(jié)晶策略優(yōu)化后的二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在性能上取得了重大突破。其功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到了21.16%，短路電流達(dá)到了23.71mA/cm2。這一效率在二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域處于較高水平，充分證明了該策略在提升電池性能方面的有效性。這些器件在穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出色。在65±10%濕度下暴露1100小時(shí)、在85°C下運(yùn)行1077小時(shí)或連續(xù)照明1045小時(shí)后，PCE下降幅度均不到5%。這一結(jié)果表明，去模板結(jié)晶策略不僅提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還顯著增強(qiáng)了電池的穩(wěn)定性，使其能夠在不同的環(huán)境條件下保持較好的性能。從原理上分析，該策略通過控制結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，改變了晶體的生長(zhǎng)方式和取向，使得晶體結(jié)構(gòu)更加有序，缺陷減少，從而提高了電荷傳輸效率和電池的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的中間相在結(jié)晶過程中起到了關(guān)鍵的橋梁作用，它為晶體的生長(zhǎng)提供了更有利的環(huán)境，促進(jìn)了垂直取向晶體的形成。這種精確的結(jié)晶控制策略，為二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持，也為其他相關(guān)領(lǐng)域的材料制備和性能優(yōu)化提供了有益的借鑒。4.1.2瑞典查爾默斯理工大學(xué)的模擬研究瑞典查爾默斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)二維鈣鈦礦材料進(jìn)行了深入研究，為理解二維鈣鈦礦材料的性能和設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的光電器件提供了新的視角和方法。在研究過程中，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，能夠直觀地觀察二維鈣鈦礦材料在不同條件下的反應(yīng)。通過模擬，他們獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的微觀描述，這種方法突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的局限性，提供了更廣泛、更細(xì)致的研究視角。在研究材料的光學(xué)性能時(shí)，通過計(jì)算機(jī)模擬可以精確地分析光與材料相互作用的微觀過程，包括光子的吸收、激發(fā)態(tài)的形成以及載流子的產(chǎn)生和傳輸?shù)?，從而深入理解材料的光學(xué)響應(yīng)機(jī)制。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在該研究中也發(fā)揮了重要作用。研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)大量的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，從而揭示了影響二維鈣鈦礦材料性能的關(guān)鍵因素。通過對(duì)不同有機(jī)連接分子和鈣鈦礦層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出哪些因素對(duì)材料的穩(wěn)定性和光學(xué)性能起著決定性作用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型，研究人員發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的有機(jī)連接分子，可以直接控制表面層中原子的移動(dòng)，而表面層原子的移動(dòng)又會(huì)反過來影響鈣鈦礦層深處的原子移動(dòng)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解材料的性能和優(yōu)化材料設(shè)計(jì)具有重要意義。二維鈣鈦礦材料由無機(jī)層和有機(jī)分子交替堆疊而成，層與分子之間的相互作用對(duì)材料的性能有著至關(guān)重要的影響。查爾默斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)深入研究了這些相互作用的精確機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)連接分子的選擇不僅影響表面層原子的移動(dòng)，還會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布，從而影響材料的光學(xué)性能。不同的有機(jī)連接分子會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦層與有機(jī)分子之間的界面電荷分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響載流子在材料中的傳輸和復(fù)合過程。該研究成果為設(shè)計(jì)適用于不同應(yīng)用和溫度變化的設(shè)備提供了更深入的見解。通過對(duì)二維鈣鈦礦材料性能的深入理解，研究人員可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)和組成，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料性能的要求。在設(shè)計(jì)高溫環(huán)境下使用的太陽(yáng)能電池時(shí)，可以選擇具有高熱穩(wěn)定性的有機(jī)連接分子，以確保材料在高溫條件下仍能保持良好的性能。研究成果還為預(yù)測(cè)哪些連接分子和尺寸可以使材料同時(shí)更穩(wěn)定、更高效提供了可能，這將有助于加速新型二維鈣鈦礦材料的開發(fā)和應(yīng)用。瑞典查爾默斯理工大學(xué)利用計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)二維鈣鈦礦材料的研究，為二維鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能電池及其他光電器件中的應(yīng)用提供了重要的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。4.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析4.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路本實(shí)驗(yàn)旨在通過調(diào)控二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程，優(yōu)化其晶體結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而提升二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圍繞結(jié)晶機(jī)理研究和電池性能提升兩個(gè)方面展開，具體思路如下：在結(jié)晶機(jī)理研究方面，首先固定前驅(qū)體溶液的總體組成，確保主要成分（如金屬鹵化物、有機(jī)陽(yáng)離子等）的含量相對(duì)穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，精確改變前驅(qū)體溶液中各成分的比例，如有機(jī)間隔陽(yáng)離子與無機(jī)陽(yáng)離子、鹵素離子的比例，設(shè)置多個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組的比例變化梯度保持一致，以探究不同比例對(duì)結(jié)晶過程的影響。對(duì)于添加劑的作用研究，選取氯離子作為添加劑，設(shè)置不同的添加劑濃度梯度，從低濃度到高濃度依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)濃度下，通過同步輻射原位掠入射X射線衍射技術(shù)（GI-XRD）和光譜學(xué)分析（如光致發(fā)光光譜PL、吸收光譜等），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)晶過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化、中間相的轉(zhuǎn)變以及光學(xué)性質(zhì)的改變。為研究環(huán)境條件對(duì)結(jié)晶的影響，搭建可精確控制溫度和濕度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在溫度研究中，設(shè)置不同的溫度區(qū)間，如低溫（20-30°C）、中溫（40-50°C）和高溫（60-70°C），在每個(gè)溫度下進(jìn)行二維鈣鈦礦薄膜的制備實(shí)驗(yàn)，并通過相關(guān)表征技術(shù)分析晶體的成核、生長(zhǎng)以及晶體取向等特征。在濕度研究中，控制環(huán)境濕度在低濕度（20-30%RH）、中濕度（50-60%RH）和高濕度（80-90%RH）條件下，研究濕度對(duì)結(jié)晶過程和晶體質(zhì)量的影響。在電池性能提升方面，基于對(duì)結(jié)晶機(jī)理的研究結(jié)果，優(yōu)化二維鈣鈦礦薄膜的制備工藝。調(diào)整前驅(qū)體溶液的組成和添加劑含量，以獲得高質(zhì)量的二維鈣鈦礦薄膜。同時(shí)，采用界面工程策略，在二維鈣鈦礦與電極之間引入不同的界面修飾材料，如基于萘酰亞胺衍生物（CATNI）的薄界面層、有機(jī)小分子等，研究界面修飾對(duì)電池性能的影響。通過改變界面修飾材料的種類和厚度，設(shè)置多個(gè)實(shí)驗(yàn)組，測(cè)試不同條件下二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)，如光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等。為了驗(yàn)證相位調(diào)節(jié)對(duì)電池性能的影響，引入銣離子（Rb?）對(duì)二維鈣鈦礦的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過控制Rb?的摻雜濃度，制備不同相位組成的二維鈣鈦礦薄膜，并將其應(yīng)用于太陽(yáng)能電池中。測(cè)試電池在不同光照條件和溫度環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，分析相位調(diào)節(jié)對(duì)電池效率和穩(wěn)定性的提升機(jī)制。4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前驅(qū)體溶液組成對(duì)二維鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量和電池性能有著顯著影響。當(dāng)有機(jī)間隔陽(yáng)離子含量過高時(shí)，晶體成核數(shù)量增多，導(dǎo)致晶粒尺寸減小，晶界數(shù)量增加。在這種情況下，電池的短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）明顯降低，這是由于晶界處的缺陷和陷阱增加，阻礙了載流子的傳輸，導(dǎo)致電荷復(fù)合加劇。相反，當(dāng)有機(jī)間隔陽(yáng)離子含量過低時(shí)，雖然有利于形成較大尺寸的晶體，但可能會(huì)破壞二維鈣鈦礦的層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使電池的穩(wěn)定性下降。在無機(jī)陽(yáng)離子與鹵素離子的比例實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pb2?相對(duì)過量時(shí)，會(huì)形成PbI?雜質(zhì)相，導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）降低，這是因?yàn)殡s質(zhì)相的存在引入了額外的缺陷，影響了載流子的傳輸和復(fù)合過程。添加劑氯離子的加入對(duì)二維鈣鈦礦的晶體取向和電池性能產(chǎn)生了積極影響。隨著氯離子濃度的增加，通過GI-XRD分析發(fā)現(xiàn)，二維鈣鈦礦晶體逐漸呈現(xiàn)出垂直取向的生長(zhǎng)趨勢(shì)。在低濃度氯離子添加劑條件下，晶體的垂直取向性有所增強(qiáng)，但仍存在部分隨機(jī)取向的晶體。當(dāng)氯離子濃度達(dá)到一定值時(shí)，晶體幾乎完全呈現(xiàn)垂直取向生長(zhǎng)，這種垂直取向的晶體結(jié)構(gòu)有利于載流子的傳輸，減少了晶界對(duì)載流子的散射。相應(yīng)地，基于這種晶體結(jié)構(gòu)的二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）得到了顯著提高，從而使電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）提升。通過PL光譜分析發(fā)現(xiàn)，氯離子添加劑還能夠減少晶體中的缺陷態(tài)，提高了光生載流子的輻射復(fù)合效率，進(jìn)一步增強(qiáng)了電池的性能。環(huán)境條件對(duì)二維鈣鈦礦結(jié)晶和電池性能的影響也十分明顯。在溫度實(shí)驗(yàn)中，低溫條件下制備的二維鈣鈦礦薄膜晶體生長(zhǎng)緩慢，晶粒尺寸較大，但晶體生長(zhǎng)不完全，存在較多缺陷，導(dǎo)致電池的短路電流密度較低。而高溫條件下，晶體成核和生長(zhǎng)速率過快，晶粒尺寸較小，晶界增多，電池的開路電壓和填充因子受到影響，光電轉(zhuǎn)換效率也較低。在中溫條件下，晶體生長(zhǎng)速率適中，能夠形成高質(zhì)量的晶體，電池性能達(dá)到最佳。在濕度實(shí)驗(yàn)中，高濕度環(huán)境下制備的二維鈣鈦礦薄膜容易出現(xiàn)水解和缺陷，導(dǎo)致電池性能嚴(yán)重下降。低濕度環(huán)境下，雖然可以避免水分對(duì)結(jié)晶的干擾，但溶劑揮發(fā)過快，會(huì)使晶體生長(zhǎng)不均勻，同樣影響電池性能。在中濕度環(huán)境下，能夠制備出質(zhì)量較好的二維鈣鈦礦薄膜，電池性能相對(duì)穩(wěn)定。在電池性能提升實(shí)驗(yàn)中，通過界面工程策略引入基于萘酰亞胺衍生物（CATNI）的薄界面層后，二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能得到了顯著提升。開路電壓（Voc）提高至1.13V，器件效率值達(dá)到18%以上。這是因?yàn)榻缑鎸痈纳屏硕S鈣鈦礦與電極之間的界面兼容性，減少了界面電荷復(fù)合，提高了電荷傳輸效率。通過引入有機(jī)小分子構(gòu)建定制的二維鈣鈦礦界面，有效地解決了大面積全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池中存在的界面不均勻問題，實(shí)現(xiàn)了28.2%的轉(zhuǎn)化效率。引入銣離子（Rb?）調(diào)節(jié)二維鈣鈦礦的相位后，電池的性能和穩(wěn)定性得到了雙重提升。通過XRD和光譜分析發(fā)現(xiàn)，Rb?的加入改變了二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)，形成了更加有利于電荷傳輸和光吸收的結(jié)構(gòu)。電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高，同時(shí)在不同光照條件和溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性也增強(qiáng)，在長(zhǎng)期的光照和溫度變化下，電池性能下降幅度較小。五、結(jié)論與展望5.1研究總結(jié)本研究圍繞二維鈣鈦礦的結(jié)晶機(jī)理及其在高性能太陽(yáng)電池中的應(yīng)用展開了深入探索，取得了一系列具有重要意義的研究成果。在二維鈣鈦礦結(jié)晶機(jī)理研究方面，通過對(duì)結(jié)晶過程基礎(chǔ)