基于三维（3D）结构钙钛矿太阳电池效率已经突破23%，被视为最具发展前景的新一代薄膜太阳电池技术。然而3D钙钛矿稳定性差严重制约了该类电池商业化。相反，2D钙钛矿具备了优异的稳定性，因此将 2D和3D优点进行整合成为钙钛矿电池研究的前沿热点之一。加利福尼亚大学洛杉矶分校Yang Yang教授课题组设计制备了2D钙钛矿掺杂的稳定纯相3D钙钛矿，其光致发光寿命提升了一个数量级，电池性能和稳定性都得到显著提升。
研究人员通过分子工程按照一定的摩尔比将微量的2D钙钛矿材料PEA2PbI4引入到3D钙钛矿甲脒碘化铅（FAPbI3）前驱体中，通过旋涂高温退火获得了PEA2PbI4掺杂的FAPbI3钙钛矿薄膜。X射线衍射表征结果显示，PEA2PbI4掺杂的FAPbI3钙钛矿薄膜衍射峰呈现出与无掺杂的FAPbI3钙钛矿薄膜一样的六方相结构衍射峰，即PEA2PbI4微量掺杂并没有改变FAPbI3钙钛矿结构，依旧是纯相的FAPbI3，保障了3D钙钛矿的高吸光系数、优异电荷传输和低激子结合能优点。通过高分辨的投射电镜（TEM）测试显示，2D PEA2PbI4钙钛矿纳米分散在3D钙钛矿FAPbI3的晶界处，相当于给3D钙钛矿构建了一个“保护层”。湿度（85%空气湿度）稳定性测试结果显示，经过上述环境24小时后，无2D掺杂的FAPbI3钙钛矿薄膜颜色便发生明显变化，即钙钛矿薄膜发生了强烈分解；相反，2D PEA2PbI4掺杂的FAPbI3钙钛矿薄膜则基本没有颜色变化，表明了2D钙钛矿PEA2PbI4的引入显著改善了FAPbI3钙钛矿稳定性。进一步的光致发光测试显示，2D PEA2PbI4掺杂的FAPbI3薄膜光致发光寿命从未掺杂的39.4 纳秒延长到了376.9 纳秒，提升了近一个数量级，意味着缺陷密度下降、载流子寿命增加，这有助于提升电池光电性能。随后将制备的薄膜用于组装电池并进行光电化学性能测试。采用无掺杂的FAPbI3薄膜电池最佳光电转换效率为16.41%，平均稳态效率是15.8%；而基于2D PEA2PbI4掺杂的FAPbI3薄膜电池最佳效率增长到了21.06%，平均稳态效率为20.64%，经过权威机构认证的效率为19.77%。老化测试结果显示，在30%空气湿度的暗场环境下放置1400小时，未封装、无掺杂的FAPbI3薄膜电池效率大幅下降近三分之一，而2D PEA2PbI4掺杂的FAPbI3薄膜电池仍维持初始效率的98%；随后对封装电池进行连续500小时光照测试，无掺杂的FAPbI3薄膜电池性效率大幅下降近一半，而掺杂2D PEA2PbI4的FAPbI3薄膜电池则获得了高达72.3%的效率保持率。
上述结果表明，引入微量的2D钙钛矿在保障电池高性能的前提下显著增强了电池稳定性。该项研究利用分子工程创新性的设计合成了2D钙钛矿微量掺杂改性的纯相3D钙钛矿薄膜，实现了3D和2D钙钛矿优点的有效整合，从而在保障电池高性能的前提下大幅提升了电池稳定性，为设计开发高效稳定钙钛矿电池开辟新思路。相关研究成果发表在《Nature Communications》。
