周歡萍課題組2019年鈣鈦礦太陽能電池重要成果集錦!

2021-01-15 納米人

 


周歡萍課題組致力於低成本/高效率太陽能電池(如鈣鈦礦)的材料設計，器件構築；納米結構與光電器件的耦合；基於半導體或太陽能電池的人工光能合成；新型功能材料(如半導體或者稀土)的合成、性質研究及其在光電領域的應用。

 

1、Science: Eu3+/Eu2+離子對賦予鈣鈦礦太陽能電池超穩操作耐久性

鈣鈦礦吸光層中的組分通常在器件加工和工作期間會產生鉛（Pb0）和碘（I0）缺陷。這些缺陷不僅降低器件效率，而且加速器件的降解。北京大學周歡萍、孫聆東和嚴純華院士課題組提出了一種全新的機制，即通過在鈣鈦礦吸光層中引入具有氧化還原活性的Eu3+-Eu2+的離子對，實現了壽命周期內的本徵缺陷的消除，從而大大提升了電池的長期穩定性。

 

研究表明，Eu3+-Eu2+離子對充當「氧化還原穿梭」，其在周期性轉變中同時氧化並減少I0缺陷。所製備的器件實現了21.52％效率。在標準太陽光照射和在最大功率點測試500小時後，器件仍分別保持92％和89％的效率，或者在85 ℃下加熱1,500 h仍91％的原始效率。




A Eu3+-Eu2+ionredox shuttleimparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells. Science, 2019.

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/265/tab-pdf

 

2、JMCA：P4VP修飾Spiro-OMeTAD構築高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池

小分子材料由於其優異的空穴傳輸性質被廣泛應用在鈣鈦礦太陽能電池和染料敏化太陽能電池。然而，這種小分子通常摻雜吸溼性添加劑和在環境應力下聚集和分層的摻雜劑，從而導致spiro薄膜出現針孔。

 

近日，北京理工大學的陳棋聯合北京大學的周歡萍等人以傳統使用的小分子Spiro-OMeTAD為例，通過在Spiro-OMeTAD引入hydrophobic polymericPoly(4-vinylpyridine) (P4VP)大大減少了spiro薄膜在器件製造和運行過程中的空洞。基於P4VP的鈣鈦礦太陽能電池顯示出了優異的穩定性，空氣環境下超過6,000h，PCE仍保持80%的初始效率。此外，P4VP可以使鈣鈦礦晶體中未配位的Pb位飽和，從而提高器件性能（經認證的PCE為20.6％），回滯可忽略不計。該工作為改善基於小分子的空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池和其他光電器件的穩定性提供了可行的方法。



Temporal and spatial pinhole constraint in small -molecule hole transport layers for stableand efficient perovskite photovoltaics

JMCA 2019

DOI: 10.1039/C9TA01070J

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta01070j

 

3、Nat. Commun.：鹼性對鈣鈦礦太陽能電池缺陷性能和結晶動力學的影響

進一步最小化半導體吸光層中的缺陷態密度對於提高接近Shockley-Queisser極限的太陽能電池的功率轉換效率是至關重要的。然而，缺乏一種控制前體化學的普適性策略，以降低碘基鈣鈦礦中缺陷密度。

 

北京大學的周歡萍團隊通過對添加劑的鹼度進行調整，深入研究前體溶液中的鹼性環境，和薄膜製造過程中結晶動力學。並提出「殘留自由（residual free）」弱鹼性不僅通過調節有機陽離子的化學計量來縮小吸收層的帶隙，而且還改善對應器件中的開路電壓。因此，在平面異質結鈣鈦礦太陽能電池中具有413 mV的最小電壓缺陷，實現了20.87％的認證效率。



Impacts of alkaline on the defects property and crystallizationkinetics in perovskite solar cells. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09093-1

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09093-1

 

4、Sol. RRL: 同構串聯結構助力高效層狀2D鈣鈦礦太陽能電池

相比體相鈣鈦礦材料，層狀二維（層狀2D）鈣鈦礦由於優異的材料穩定性，（特別是耐溼性）引起了研究人員對其光伏電池的極大興趣。然而，長鏈有機分子的絕緣性的限制了載流子的傳輸能力，影響了器件效率。近日，北京大學的周歡萍團隊通過使用層狀2D鈣鈦礦的同質串聯器件結構，實現形成具有足夠光密度的較短載流子通路。

 

研究人員使用相同的層狀2D鈣鈦礦（BA2MA3Pb4I13）研究和優化半透明器件和過濾器底部電池，成功製備了四端串聯器件，其最高換效率為14.42％，比單個BA2MA3Pb4I13鈣鈦礦器件（11.02％）高30％。這些研究結果為開發基於層狀2D鈣鈦礦太陽能電池和其他光電器件提出了可替代方案。



30% Enhancement of Efficiency in Layered 2DPerovskites Absorbers by Employing Homo-Tandem Structures，Sol. RRL 2019

DOI：10.1002/solr.201900083

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/solr.201900083

 

5、Adv. Mater.: 熱力學優勢晶體取向! 用於高效鈣鈦礦太陽能電池

晶體取向對鈣鈦礦薄膜的性質和所得器件性能有很大影響。混合陽離子鈣鈦礦中晶體取向（優選的晶面和相對於特定平面的晶體堆疊模式）的精確控制對器件性能的基本機制仍然不清楚。北京大學的周歡萍團隊通過組合工程精細調節甲脒/甲基銨（FA/MA）混合陽離子鈣鈦礦中的熱力學上有利的晶體取向。

 

研究表明，FA/MA比率影響混合鈣鈦礦的表面能，從而導致優先取向的變化。當平行於基底放置時，沿（001）晶面的優選生長影響電荷輸送和收集性質。在優化條件下，混合陽離子鈣鈦礦（FA1-xMAxPbI2.87Br0.13(Cl)）太陽能電池的效率超過21％，認證效率為20.50±0.50％。



A Thermo dynamically Favored Crystal Orientation in MixedFormamidinium/Methylammonium Perovskite for Efficient Solar Cells. Advanced Materials, 2019.

DOI:10.1002/adma.201900390

https://doi.org/10.1002/adma.201900390

 

6、Nat. Energy：與氟化物的化學鍵合助力穩定的鈣鈦礦太陽能電池

陷在混合滷化物鈣鈦礦的降解過程中起重要作用，阻礙了它們在太陽能電池中的應用。在所有缺陷中，滷素陰離子和有機陽離子空位無處不在，促進離子擴散並導致表面和晶界處的薄膜分解。近日，北京大學的周歡萍團隊利用氟化物高的電負性來同時鈍化陰離子和陽離子空位。

 

經氟化鈉處理，基於(Cs0.05FA0.54MA0.41)Pb(I0.98Br0.02)3 的器件，研究人員獲得了21.46％的效率（以及經認證的21.3％效率）。在最大功率點運行1,000小時後，該器件可保持其原始功率轉換效率的90％。在第一原理密度泛函理論計算的幫助下，研究人員認為氟離子通過與周圍鉛和有機陽離子的化學鍵的獨特強化來抑制滷素陰離子和有機陽離子空位的形成。



Cation and anion immobilizationthrough chemical bonding enhancement with fluorides for stable halideperovskite solar cells. Nature Energy 2019.

DOI: 10.1038/s41560-019-0382-6

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0382-6

 

7、AEM: 間隔陽離子的相互作用助力高效穩定的層狀二維鈣鈦礦太陽能電池

層狀2D（A1）2(A2)n-1BnX3n+ 1鈣鈦礦材料改善了所得太陽能電池的長期穩定性，但由於載流子生成/傳輸不良而阻礙了其功率轉換效率。因此，需要合理的指導方針來設計有機間隔陽離子（A1）。近日，北京大學的周歡萍團隊在層狀二維鈣鈦礦中使用混合的A1陽離子來研究烷基胺陽離子和不飽和烷基胺陽離子之間的相互作用。

 

研究人員揭示了烷基胺間隔陽離子能夠促進前驅體組裝，這導致鈣鈦礦晶體的定向生長。不飽和的烷基胺陽離子進一步導致激子結合能降低，從而改善了2D鈣鈦礦中載流子的傳輸。通過混合兩種陽離子，所製備的光伏電池的開路電壓顯著提高，效率為15.46％，這是基於（A1）2（A2）3Pb4I13層狀2D鈣鈦礦的最高效率之一。設計原理的通用性可進一步擴展到其他陽離子組合。



The SpacerCations Interplay for Efficient and Stable Layered 2D Perovskite Solar Cells.AEM 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201901566

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201901566

 

 

周歡萍教授簡介

 

周歡萍：博士生導師，特聘研究員。2010年獲得北京大學博士學位，導師：嚴純華院士。2010-2015年，在美國加州大學洛杉磯分校從事博士後研究工作，導師：楊陽教授。2015.06至今，任職於北京大學工學院材料科學與工程系。入選2018 年度全球「35 歲以下科技創新 35 人」榜單。2019年，榮獲首屆「科學探索獎」。


周歡萍課題組致力於發展功能型無機，無機／有機雜化材料，並探索其在能源、催化等領域的應用。主要集中於稀土材料，半導體材料的多維度控制，包括納米尺度(可控合成及生長機理、自組裝)，微米尺度(薄膜生長，缺陷鈍化，界面調控)以及宏觀尺度(器件構築)，及其在催化和能源領域的應用基礎研究。在Science、 Nat. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Appl. Phys. Lett.等期刊上累計發表學術論文40餘篇。被引用18,000餘次， 涵蓋材料、化學、物理、納米技術、能源、工程等多個學科。

 

課題組主頁：https://happyzhou.wixsite.com/happylabs

 

（註：以上簡介及部分圖片整理自網絡和北京大學官網）


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