Nucleation and Crystallization in 2D Ruddlesden‐Popper Perovskites using Formamidinium‐based Organic Semiconductor Spacers for Efficient Solar Cells

成核 结晶 材料科学 钙钛矿(结构) 半导体 结晶学 有机半导体 甲脒 凝聚态物理 光电子学 化学 物理 热力学
作者
Rui Wang,Xiyue Dong,Ling Qin,Ziyang Hu,Yuping Gao,Yu Chen,Yongsheng Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (50) 被引量:35
标识
DOI:10.1002/anie.202314690
摘要

The conjugated organic semiconductor spacers have drawn wide attention in two-dimensional (2D) perovskites and formamidinium (FA) has been widely used as A-site cation in high-performance 3D perovskite solar cells (PSCs). However, the FA-based semiconductor spacers have rarely been investigated in 2D Ruddlesden-Popper (RP) perovskites. Here, we developed two FA-based spacers containing thieno[3,2-b]thiophene (TT) and 2,2'-bithiophene (BT) units, namely TTFA and BTFA, respectively, for 2D RP PSCs. The nucleation and crystallization kinetics of TTFA-Pb and BTFA-Pb from sol-gel to film were investigated using in situ optical microscopy and in situ grazing incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) measurements. It is found that the TTFA spacer could reduce the energy barrier of nucleation and induces crystal vertical orientation of 2D perovskite by forming larger clusters in precursor solution, resulting in much improved film quality. Benefiting from the enlarged crystal grains, reduced exciton binding energy, and decreased electron-phonon coupling coefficient, the photovoltaic device based on (TTFA)2 MAn-1 Pbn I3n+1 (n=5) achieved a champion efficiency of 19.41 %, which is a record for 2D RP PSCs with FA-based spacers. Our work provides deep understanding of the nucleation and crystallization process of 2D RP perovskite films and highlights the great potential of FA-based semiconductor spacers in highly efficient 2D PSCs.
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