吴季怀课题组在钙钛矿太阳能电池和光电容器领域取得系列重要研究进展

作者:杨振铭      单位:材料科学与工程学院 发布时间:2022-08-19

近期,我校环境友好功能材料教育部工程研究中心、材料科学与工程学院、材料物理化学研究所吴季怀教授课题组在钙钛矿太阳能电池和光电容器领域取得系列重要研究进展。在材料与化学领域国际著名期刊Nano Energy(IF:19.069)、Chemical Engineering Journal(IF:16.744)发表系列研究论文六篇。Nano Energy和Chemical Engineering Journal均为国际知名出版社Elsevier旗下能源类的著名学术期刊,在能源材料领域具有重要影响力,两者均为中科院一区TOP期刊。

12022届博士宋泽宇以第一作者在Nano Energy上发表题为“Photocapacitor integrating perovskite solar cell and symmetrical supercapacitor generating a conversion storage efficiency over 20 %”的研究论文。太阳能是清洁的、开放的、无限的,但地球上的太阳辐射是波动的、间歇的、不稳定的。本研究提出了功能组合管理的概念,厘清了光电容器中能量转换存储与效率的关系,通过集成钙钛矿太阳能电池和对称超级电容器单元,获得了一种转换存储效率超过20%的光电容器,展示了光充电集成器良好的发展前景。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552200578X#fig0030

22019级博士生徐源以第一作者在Nano Energy上发表题为“PbS/CdS heterojunction thin layer affords high-performance carbon-based all-inorganic solar cells”的研究论文。该文分析了钙钛矿太阳能电池的离子迁移、卤化物空位和离子悬空键是造成深能级缺陷、载流子非辐射湮灭和耐侯性差的主要原因,从界面工程的角度,在钙钛矿(CsPbI1.5Br1.5)和碳电极之间构建了PbS/CdS异质结。异质结降低缺陷密度,减少载流子湮灭,增加内建电场,抑制离子迁移,提高器件稳定性。由此获得开路电压为1.315V,填充因子为77.06%,光电转换效率为13.65%的钙钛矿太阳能电池,这是目前此类碳基全无机钙钛矿太阳电池的最高效率。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522000581

32022届博士王晓兵以第一作者在Chemical Engineering Journal上发表题为“Lansoprazole, a cure-four, enables perovskite solar cells efficiency exceeding 24%”的研究论文。兰索拉唑(Lanz)作为一种药物,用来治疗胃溃疡;作为一种多功能分子添加剂,对提升器件的稳定性和光电性能有着四重功效:(1)巩固钙钛矿的晶体结构;(2)钝化薄膜界面和内部的缺陷;(3)调节薄膜的费米能级,优化功能层之间的能量匹配;(4)延缓钙钛矿的晶体生长速度,改善了晶体质量。因此,多功能Lanz添加剂有效地将器件的光电转化效率从21.91%提高到24.05%。此外,Lanz修饰的未封装器件在连续光照(100 mW cm2)500 h后仍能保持其初始效率的84%,具有优良的稳定性。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722029047

42022届博士李国栋以第一作者在Chemical Engineering Journal上发表题为“Surface defect passivation by 1,8-Naphthyridine for efficient and stable Formamidinium-based 2D/3D perovskite solar cells”的研究论文。钙钛矿组分的离子性质决定了在其制备过程中会产生大量缺陷,器件的性能欠佳,稳定性差。基于Lewis酸碱配位原理,通过1,8-萘啶的表面缺陷钝化,构建性能佳稳定性好的钙钛矿二维/三维(2D/3D)结构。受益于抑制的载流子非辐射湮灭、延长的载流子寿命、改进的电荷传输、优化的疏水性和α-FAPbI3相稳定性。1,8-萘啶修饰的钙钛矿太阳能电池获得23.8%的光电转换效率,且具有令人满意的稳定性和可忽略的迟滞效应,为同时钝化表面缺陷和构建2D/3D钙钛矿提供了有效策略。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722032934

52020级博士生陈奇以第一作者在Chemical Engineering Journal上发表题为“3-Chloroperoxybenzoic acid doping spiro-OMeTAD for improving the performance of perovskite solar cells”的研究论文。研究者将3-氯过氧苯甲酸(m-CPBA)引入到空穴材料Spiro-OMeTAD。m-CPBA加速了Spiro-OMeTAD的氧化,增加载流子浓度,提高了器件导电性,减少了缺陷和载流子非辐射湮灭。另一方面,m-CPBA的掺杂调整了空穴材料的能级,使之与钙钛矿更加匹配,减少了能量损失。因此,m-CPBA改性的钙钛矿太阳能电池实现了23.34%的光电转换效率,值得一提的是,该器件还且具有超过84%的填充因子。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722037962

62020级硕士生吴赵辉以第一作者在Chemical Engineering Journal上发表题为“Multifunctional molecule of potassium nonafluoro-1-butanesulfonate for high-efficient perovskite solar cells”的研究论文。该文在SnO2电子传输层中引入一种多功能分子——九氟丁基磺酸钾(KFBS)。基于KFBS中钾离子、磺酸基和九氟丁基的协同作用,调节了钙钛矿与电子传输层的能级匹配,改善了晶体的成膜质量,钝化了界面、晶界和体相的缺陷。使得光电转换效率从原始器件的20.60%提高到改性器件的23.21%。此外,未封装改性器件在室温、相对湿度30%的暗条件下储存1000 h后仍保持初始效率的90.5%,表现出优异的环境稳定性。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722033381

以上研究工作均以华侨大学为唯一完成单位,以吴季怀教授为通讯作者,部分工作以兰章教授和孙伟海副教授为共同通讯作者。以上研究工作得到国家自然科学基金-海峡联合基金重点项目(U1705256)和国家自然科学基金项目(51972123、21771066)以及华侨大学研究生创新基金的大力支持。

通讯作者:

吴季怀,教授,博士生导师,环境友好材料教育部工程研究中心主任,华侨大学原副校长(2004~2019)。主要研究方向新型太阳能电池、超级电容器、超吸水材料、光催化纳米材料,发表SCI论文超过580篇,H因子67。多次入选Elsevier中国高被引学者(2014-2021)、英国皇家化学会Top 1%中国高被引作者和Clarivate (Web of Science)全球高被引科学家。

兰章,教授,博士生导师,华侨大学材料科学与工程学院副院长,2009年于华侨大学材料科学与工程学院获得博士学位,随后加入华侨大学材料物理化学研究所,主要研究方向为:量子点/钙钛矿太阳能电池中的纳米材料。

孙伟海,副教授,硕士生导师,2015年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位,2015-2017在北京大学物理系介观物理国家重点实验室进行博士后研究。2017年至今,华侨大学材料科学与工程学院任教,主要研究方向为光电材料与器件。

环境友好功能材料教育部工程研究中心:

工程中心于2009年经教育部批准,依托华侨大学材料科学与工程学院建设,中心主任为华侨大学原副校长、博士生导师、吴季怀教授。依托化学、工程学2个ESI全球学科排名前5‰以及材料科学(ESI前1%)的高水平学科,围绕绿色发展目标,积极开展光电新能源材料和器件等前沿性、基础性、应用性研究。