史彥濤教授團(tuán)隊(duì)在高效低成本新型光伏技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破
作為第三代新興光伏技術(shù)，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）近10年來(lái)能量轉(zhuǎn)換效率突飛猛進(jìn)，經(jīng)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的效率高達(dá)25.5%，已接近單晶硅太陽(yáng)能電池（26.7%）。憑借成本低廉、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、可柔性化、弱光可發(fā)電等諸多優(yōu)點(diǎn)，PSCs在光伏領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用前景，其發(fā)展受到各國(guó)學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，PSCs長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及貴金屬電極材料產(chǎn)生的成本問(wèn)題仍然是阻礙PSCs大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。PSCs目前廣泛使用的Au/Ag等貴金屬電極除了價(jià)格昂貴，也容易與鈣鈦礦中的鹵素離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而被腐蝕，降低了長(zhǎng)期穩(wěn)定性。以廉價(jià)的碳電極取代貴金屬電極是提升PSCs穩(wěn)定性并降低成本的有效策略。然而，由于界面接觸、能級(jí)失配和電荷傳輸動(dòng)力學(xué)遲緩等問(wèn)題，碳基PSCs能量轉(zhuǎn)換效率一直處于相對(duì)較低的水平（絕大多數(shù)都不超過(guò)18%）。如何提升碳基PSCs能量轉(zhuǎn)換效率是本領(lǐng)域急需破解的難題之一。
近日，我?；W(xué)院化學(xué)系史彥濤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合瑞士洛桑聯(lián)邦理工Michael Gr?tzel教授團(tuán)隊(duì)，以及東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院朱超研究員，創(chuàng)新性地利用碳基負(fù)載金屬單原子電極材料Ti1/rGO，并結(jié)合一種更為先進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)，有效調(diào)控了碳基C-PSCs光生載流子界面轉(zhuǎn)移/傳輸動(dòng)力學(xué)，大幅減少了能量損失。以此為基礎(chǔ)制備的新型碳基PSCs能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.6%，遠(yuǎn)高于本領(lǐng)域先前報(bào)道器件性能（絕大多數(shù)<18%）。更加可喜的是，未封裝器件在25℃和60℃分別連續(xù)照射工作1300 h（氮?dú)獗Ｗo(hù)，1 sun）后，能量轉(zhuǎn)換效率依然保持初始值的98%和95%，展現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性。本項(xiàng)研究為進(jìn)一步推進(jìn)PSCs產(chǎn)業(yè)化提供了重要思路，其創(chuàng)新之處在于：
首次將結(jié)構(gòu)明確的單原子材料（SAMs）應(yīng)用于全固態(tài)光電器件領(lǐng)域。研究結(jié)果表明，當(dāng)單原子Ti通過(guò)特定化學(xué)結(jié)構(gòu)負(fù)載于還原氧化石墨烯（rGO）時(shí)，rGO的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，引起費(fèi)米能級(jí)下降和功函數(shù)增大，使得Ti1/rGO與空穴傳輸層的能級(jí)更加匹配，有利于界面電荷轉(zhuǎn)移。其意義在于，不僅發(fā)展了一種調(diào)控碳材料電學(xué)特性的先進(jìn)方法，同時(shí)深化了對(duì)碳材料化學(xué)結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能之間構(gòu)-效關(guān)系的理解，更加拓展了SAMs的應(yīng)用領(lǐng)域。
其次，本項(xiàng)研究中所采用的器件結(jié)構(gòu)為疊合式碳基PSCs，是一種可實(shí)現(xiàn)模塊化制備和組裝的新型光伏器件，能夠完全不依賴真空沉積技術(shù)，且可以使用廉價(jià)的電極材料，大幅降低了光伏器件設(shè)備和材料成本。更重要的是，這種新型器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光生電荷縱向提取和橫向傳輸過(guò)程的解耦，從根本上解決了傳統(tǒng)碳基PSCs器件電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)能量損失過(guò)大的問(wèn)題。
研究成果以“Ti1–graphene single-atom material for improved energy level alignment in perovskite solar cells”為題發(fā)表于能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Nature Energy》（DOI : 10.1038/s41560-021-00944-0，影響因子60.9）。該研究工作由校內(nèi)外多個(gè)課題組共同努力完成，大連理工大學(xué)為第一作者和第一通訊單位，大連理工大學(xué)博士生張春陽(yáng)為共同一作（排名第一）。本項(xiàng)研究的參與單位包括：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、東南大學(xué)、香港科技大學(xué)、廈門大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所。本項(xiàng)研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（51872036, 51773025, 11504046），“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目（XLYC2007038, XLYC2008032）、大連市科技創(chuàng)新基金（2018J12GX033, 2019J12GX032）、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金等資助（2021JH6/10500152）。
圖1：Ti1-rGO的制備示意圖及其形貌結(jié)構(gòu)表征
圖2：Ti1-rGO基C-PSCs的光電特性及穩(wěn)定性
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00944-0
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