Monthly Archives: 九月 2021

近期，我院方国家教授课题组，与吴奕初教授和香港中文大学路新慧教授课题组合作，在全无机钙钛矿太阳能电池研究领域取得新进展。 全无机钙钛矿CsPbX3 有优异的热稳定性， 具有连续可调的宽带隙（1.73〜2.3 eV），在半透明电池以及叠层太阳能电池等领域具有很好的应用潜力，吸引了广泛的关注。但是，全无机钙钛矿太阳能电池在相稳定性方面以及光电转换效率方面仍面临挑战。其中一个重要的原因就是缺乏与之匹配的空穴传输材料。当前主流的空穴传输材料（Spiro-OMeTAD）需要额外的精确掺杂和氧化过程，以提升空穴迁移率。这些掺杂材料的吸湿性以及不可避免的氧化过程又会加速全无机钙钛矿吸光层的相变，带来严重的稳定性问题，使器件性能下降。此外，宽带隙的全无机钙钛矿和Spiro-OMeTAD之间存在较大的价带带阶，会造成很大的能量损失。 为了解决这些问题，本工作在全无机钙钛矿体系中应用系列新型无掺杂的有机聚合物光伏材料（J71，PBDB-T，PM6）作为空穴传输层，这些材料具有优异的电荷传输性能和更合适的能级，能够避免复杂的掺杂和空气环境条件的氧化过程。基于PM6的全无机钙钛矿器件实现了17.05%的光电转化效率，这是迄今为止基于无掺杂聚合物空穴传输材料的全无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。进一步通过使用导电原子力显微镜（C-AFM）、掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和开尔文探针显微镜（KPFM）测试技术，对材料分子微观结构、电荷输运机制和电势分布等相关机理进行了深入的分析。 5月18日，该工作以“Constructing Highly Efficient All-Inorganic Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 17% by Using Dopant-Free Polymeric Electron-Donor Materials”为题被国际著名刊物《纳米能源》（Nano Energy）在线发表。论文第一署名单位是武汉大学物理科学与技术学院，博士生马俊杰为第一作者，方国家教授、路新慧教授和吴奕初教授为共同通讯作者。 该工作得到了国家自然科学基金、湖北省科技计划资金的资助。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104933  

3月4日，《自然•通讯》 (Nature Communications)在线发表了我院方国家教授、林乾乾教授、陶晨研究员团队的最新研究成果。 论文题为“Room-temperature liquid diffused separation induced crystallization for high-quality perovskite single crystals”（《室温液相扩散诱导结晶法制备高质量钙钛矿单晶》）。该研究工作署名单位为武汉大学。我院2018级博士生姚方为第一作者，方国家教授、林乾乾教授、陶晨研究员为通讯作者。 近年来，卤化物钙钛矿材料在光电领域得到了广泛应用，且取得了极大进展。钙钛矿单晶作为研究钙钛矿本征特性及光电器件的理想材料，已被广泛地研究。目前，钙钛矿单晶的制备主要采用逆温度结晶法（ITC）、反溶剂蒸发辅助结晶法（AVC）和低温梯度结晶法（LTGC）等方法。这些方法的原理都是基于逆溶解度，通过改变温度或溶剂成分以改变前驱体浓度达到过饱和结晶。 采用ITC或LTGC生长单晶时需要较高的温度（从室温升高到90或60℃）。然而，已有报道表明，钙钛矿单晶生长温度越高，其缺陷密度就越高；升温或降温产生的热对流会对钙钛矿单晶结构产生不利影响，容易生成孪晶或多晶。另外变温速率的精确控制非常困难，从而影响钙钛矿单晶质量和相关器件性能。因而开发一种恒低温钙钛矿单晶的生长方法具有重要意义。   研究团队提出了室温液相扩散诱导生长钙钛矿单晶的新思路，开发出了一种制备高质量钙钛矿单晶的新方法—室温液相扩散诱导结晶（LDSC），即溶剂通过扩散进入硅油从而使前驱体溶液达到过饱和形核结晶。利用媒介硅油与溶剂二甲基甲酰胺（DMF）互不相溶，硅油密度介于DMF和钙钛矿前驱体之间的特性，DMF扩散进入硅油上层，从而减少前驱体溶液的体积使其浓度达到过饱和，最终形核并生长得到高质量的钙钛矿单晶(已申请中国发明专利)。 该方法不仅可以制备三维MAPbX3(X=Cl, Br, I)单晶，还可以制备PA2PbBr4、BA2PbBr4、PMA2PbBr4等二维单晶，是一种高普适性的制备高质量钙钛矿单晶方法。此外，通过建立晶体生长模型，团队揭示了该方法制备钙钛矿单晶的生长动力学机制，即密度差导致的溶剂扩散、前驱体体积渐减而浓度恒定的析晶机制。与ITC、LTGC、AVC等方法相比，LDSC具有单晶生长温度低（室温）且恒定、制备的晶体质量高（摇摆曲线半高宽小于0.0096°）、缺陷态密度低（4.4×109 cm-3）、寿命长（约1 µs）、单晶产率高（92%）、普适性好等优点。此外，LDSC-MAPbBr3钙钛矿单晶在可见光和X-ray探测方面表现出了良好的应用前景。 这项工作的共同作者还包括刘昌教授，李博睿博士，博士生彭家丽、李文静、桂鹏彬，硕士生李睿明。该工作得到了国家自然科学基金、湖北省科技计划和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。   原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-15037-x    

近期，我院方国家教授课题组和香港理工大学李刚教授课题组合作，开发了一种稳定剂辅助生长高质量钙钛矿薄膜的方法，并显著提高了相应钙钛矿电池的光电性能和稳定性。甲脒铅碘(FAPbI3)基钙钛矿具有理想的光学带隙，根据Shockley-Queisser效率极限，FAPbI3钙钛矿太阳能电池具有更高的理论光电转换效率。但FAPbI3材料的相稳定性和长期稳定性都比较差，因此很难制备高效、稳定的FAPbI3基钙钛矿电池。   本工作通过引入两种稳定剂(MAPbBr3和MACl)，来制备高质量和相稳定的甲脒基钙钛矿((FAPbI3)95(MAPbBr3)5）。通过这种稳定剂辅助生长的策略，制备得到的(FAPbI3)95(MAPbBr3)5钙钛矿薄膜具有高结晶质量（大晶粒以及非常低的缺陷态密度），相应的钙钛矿器件效率高达22.51％。更重要的是，相稳定的(FAPbI3)95(MAPbBr3)5钙钛矿电池的长期稳定性也得到显着改善，在湿度20RH%空气环境条件下储存2600 小时后器件仍保持97％的初始效率。 该工作以“Stabilizer-assisted growth of formamdinium-based perovskites for highly efficient and stable planar solar cells with over 22% efficiency”为题在国际著名刊物《纳米能源》（Nano Energy）上发表。论文第一署名单位是武汉大学，武大物理学院博士生杨光为第一作者，李刚教授和方国家教授为共同通讯作者。 论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930535X