JACS：復旦大學-量子點調控界面 提高鈣鈦礦太陽能電池的性能

【成果簡介】

近年來，全球氣候變化和環境污染問題越來越牽動著全人類的神經，如何保護人類生存的家園已經成為共識。發展清潔的可再生能源，尤其是太陽能光伏技術，是最具有前景的應對環境問題的方法之一。有機-無機雜化鈣鈦礦材料以其高效、低成本、優越的光電性能以及可溶液加工等優點，持續地吸引著人們的關注。

目前，以有機-無機雜化鈣鈦礦材料為基礎的鈣鈦礦太陽能電池的效率已經超過20.1%。鈣鈦礦太陽能電池雖然取得了喜人的發展，但是在界面處載流子的損失依然嚴重，這限制了器件性能的提高，因此如何優化界面將是提高鈣鈦礦太陽能電池的一個重要方向。

傳統的界面工程主要集中于電子抽取層的調控。而在本項工作中，復旦大學的鄭耿峰教授和王忠勝教授（共同通訊作者）從空穴傳輸層與鈣鈦礦層界面入手，在空穴傳輸層與鈣鈦礦層之間引入MAPbBr3?xIx (MA = CH3NH3)量子點來調控平面型鈣鈦礦太陽能電池。當MAPbBr3?xIx量子點價帶頂低于MAPbI3鈣鈦礦材料的價帶頂時，會阻擋空穴從鈣鈦礦層向空穴傳輸層的傳輸，則電池的效率就會降低；相反，如果MAPbBr3?xIx量子點價帶頂高于MAPbI3鈣鈦礦材料的價帶頂，而低于空穴傳輸材料的價帶頂時，空穴的傳輸會被極大地促進。所以，通過改變Br和I的比例，來調整MAPbBr3?xIx量子點的帶隙，使其更好地與MAPbI3層和空穴傳輸層的能帶相匹配，最終減少空穴在界面處的損失，更有利于空穴的抽取，從而改善了鈣鈦礦太陽能電池的填充因子，短路電流和轉換效率。

【圖文導讀】

圖1、(a?c)分別是MAPbBr3（a）, MAPbBr1.2I1.8（b）,和 MAPbBr0.9I2.1（c）量子點的TEM圖片。（d）是激發波長為400nm的MAPbBr3?xIx量子點溶液的光致發光光譜

圖2、（a）鈣鈦礦太陽能電池器件結構的示意圖說明。（b）鈣鈦礦太陽能電池器件中各種材料的能級圖，單位為電子伏特。（c）采用MAPbBr3?xIx量子點調控的鈣鈦礦太陽能電池制備過程圖表說明。（d）器件的橫截面SEM圖。

圖3、（a）J?V曲線。（b）采用MAPbBr3?xIx量子點作為界面調控材料后，鈣鈦礦太陽能電池的IPCE光譜。

圖4、（a）通過IMVS測試不同組鈣鈦礦太陽能電池中的電子壽命。（b）光致發光光譜。（c）MAPbI3（對照組）和MAPbI3/MAPbBr0.9I2.1量子點鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發光衰減曲線。（d）在模擬一個太陽強度和開路電壓下，測試鈣鈦礦太陽能電池的電化學阻抗響應。

【總結】

這篇文章采用MAPbBr3?xIx量子點作為平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的界面調控材料。其中， MAPbBr0.9I2.1量子點以其匹配的價帶頂，極大促進了空穴從MAPbI3 鈣鈦礦層到空穴傳輸材料間的傳輸，而MAPbBr3 和 MAPbBr1.2I1.8量子點因其價帶頂低于MAPbI3的價帶頂，從而阻礙了空穴的傳輸。所以采用MAPbBr0.9I2.1量子點界面調控的鈣鈦礦太陽能電池改善了空穴的抽取，提高了器件的填充因子、短路電流和轉換效率。這項工作為界面調控提高鈣鈦礦太陽能電池性能提供了一條新的機制。

鄭耿鋒， 復旦大學教授、博士生導師。2000年復旦大學化學系本科畢業，2007年獲得美國哈佛大學化學與化學生物系博士學位，2007—2010年在美國西北大學化學系從事博士后研究，2010 年起在復旦大學先進材料實驗室和化學系擔任教授與博導。目前已在國際著名學術期刊上發表論文100余篇，邀請專著章節 3部，論文的總他引次數 7000多次，其中單篇引用在 100次以上的有20篇。目前兼任J. Colloid and Interface Science雜志的編輯，J. Materials Chemistry A雜志的編委。

研究成果曾被美國國家廣播電臺、福布斯雜志、MSNBC，Science等多個新聞媒體和雜志報道。獲得的榮譽包括：寶鋼基金會優秀教師獎(2015)、上海市東方學者跟蹤計劃(2015)、上海市曙光計劃(2015)、中國化學會青年化學獎(2014)、國家基金委優秀青年科學基金(2013)、復旦大學港愛贊助優異獎教金(2013)、上海市東方學者特聘教授(2012)、教育部新世紀優秀人才(2011)、上海市浦江人才(2010)、美國西北大學杰出科研人員獎(2009)、美國材料科學會博士生金獎(2006)、美國納米醫學會青年科學家獎(2006)、與美國哈佛大學優秀教學獎(2004)等。 目前主持科技部重大科學研究計劃(973)課題、國家基金委優青、面上項目、上海市科委重點項目、教育部博士點基金、復旦大學卓識-卓學人才計劃等課題。

王忠勝，畢業于北京大學化學與分子工程學院，獲得理學博士學位。2001年9月至2003年3月在日本國立材料科學研究所（NIMS）任職特別研究員；2003年4月至2008年6月在日本國立產業技術綜合研究所（AIST, Tsukuba）任職特別研究員；2008年6月加入復旦大學先進材料實驗室，現為復旦大學化學系教授，博士生導師。

主要研究方向：分子基薄膜太陽能電池器件物理與化學、光電功能材料的設計與合成、以及自組裝功能材料的光電化學和光催化性質研究。

學術研究成果：曾獲得北京大學優秀博士論文獎（2003）、全國優秀博士論文提名獎（2003）、上海市浦江學者（2009）。1998年至今主要從事染料敏化納米晶太陽能電池的研究與開發，在JACS, Adv. Mater., Angew. Chem., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Mater.等國際學術期刊上發表學術論文80余篇，其中70篇影響因子大于3.0，他引3500余次，第一或通訊作者論文他引2700余次，H指數29。（以上信息來自復旦大學官網）

文獻鏈接：Enhancing Perovskite Solar Cell Performance by Interface Engineering Using CH3NH3PbBr0.9I2.1 Quantum Dots

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