(1)太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。1839年, 法国物理学家Becquerel发现了光生伏特效应，1876年，英国科学家Adams等人发现，当太阳光照射硒半导体时，会产生电流。这种光电效应太阳能电池的工作原理是当太阳光照在半导体 p-n 结区上，会激发形成空穴-电子对（激子)，在p-n结电场的作用下，激子首先被分离成为电子与空穴并分别向阴极和阳极输运。光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路就形成电流。目前太阳电池发展大致经历了三个阶段：第一代太阳电池主要指单晶硅和多晶硅太阳电池，其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%；第二代太阳电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如钙钛矿太阳电池、量子点电池以及有机太阳电池等。相比于第一代和第二代太阳电池，钙钛矿太阳电池由于具有制作成本低、理论光电转换效率高等优点受到人们的广泛关注。
有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的效率已经达到了25.5%。然而，杂化钙钛矿中的有机组分（甲氨和甲眯）在热力学上是不稳定的，光照、加热和高湿条件都会诱导有机组分缓慢挥发或分解，从而导致杂化钙钛矿吸光层降解失效。相比之下，基于无机阳离子(Cs+)的全无机钙钛矿（CsPbX3）能够避免有机组分的挥发，进而有望从根本上解决钙钛矿的组分稳定性问题。在全无机钙钛矿家族中，CsPbI2Br具有合适的带隙和结构稳定性，因此近年来引起了研究者的广泛关注。2019年CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的效率已经达到了16.58%，但其开路电压较低，能量损失高达0.69 eV，效率远远落后于杂化钙钛矿太阳电池和无机CsPbI3钙钛矿太阳电池。因此，通过减少能量损失来提高CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压和效率很有必要。
近日，陕西师范大学刘生忠教授和刘治科教授等人通过给无机钙钛矿补“钙”来获得高效CsPbI2Br钙钛矿电池的新方法，在钙钛矿前驱体溶液中引入少量 (0.5%) CaCl2达到同时提高CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压、填充因子和效率的目的。CaCl2能够有效降低CsPbI2Br薄膜的结晶速率，降低薄膜的缺陷密度，增加薄膜的载流子寿命，并有效提升薄膜的费米能级，增大器件的内建电场，从而提高了CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压。掺杂0.5% CaCl2的CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的效率达到16.79%，开路电压为1.32 V，填充因子是83.29%。另外，未封装的CsPbI2Br钙钛矿太阳电池在空气中放置1080 h后，效率仍能保持其初始效率的90%，稳定性能优异。
这一成果近期以“Controlled n-Doping in Air-Stable CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with a Record Efficiency of 16.79%”为题发表在Advanced Functional Materials上，硕士研究生韩玉和赵欢为论文的并列第一作者，刘生忠教授和刘治科教授为共同通讯作者。
(2)钙钛矿半导体因其独特的强光吸收和优异的载流子迁移率而成为太阳能电池的新材料。钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）已从3.8%提高到25.2%，这已经可以与其他薄膜光伏（PV）器件相媲美。钙钛矿材料的一个显著优势是能够在低温下进行固溶处理，这使得钙钛矿太阳能电池有望成为高性能、可印刷和低成本的无真空光伏技术的候选材料。空气中可印刷的制备技术，如刮涂法，可方便地进入成熟的工业过程。目前，通过刮涂法制备的有机-无机钙钛矿太阳能电池的PCE已达到21.9%（8 mm2）。遗憾的是，MA基钙钛矿型太阳能电池由于其易挥发的MA+阳离子而存在热稳定性差的问题。用Cs+（例如CsPbI3）取代MA+可以显著提高热稳定性，并略微增加带隙（≈1.7 eV），这两方面共同为高效串联太阳能电池带来了希望，但已报道的制备技术无法转移至大规模商业化应用。
近日，陕西师范大学赵奎教授（刘生忠教授团队）联合阿卜杜拉国王科技大学Thomas D. Anthopoulos教授发现了空气中低温印刷的CsPbI3太阳能电池。通过引入低浓度的多功能分子添加剂Zn(C6F5)2，可以降低快速结晶成膜导致的能级失配和陷阱密度，从而实现高质量的CsPbI3钙钛矿薄膜。结果表明：添加剂倾向于在CsPbI3/SnO2界面附近积累，减少了150 meV的能级差异；同时添加剂在钙钛矿表面上也有强烈的化学吸附，减少了陷阱密度。因此空气中印刷的太阳能电池获得了19%的能量转换效率。
相关研究成果以题为“Printable CsPbI3 Perovskite Solar Cells with PCE of 19% via an Additive Strategy”发表在知名期刊Advanced Materials上。第一作者为硕士研究生常晓明。刘生忠教授、赵奎教授和阿卜杜拉国王科技大学Thomas D. Anthopoulos教授为共同通讯作者。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001243
(3)钙钛矿薄膜作为钙钛矿电池的核心组成部分，是影响电池性能和稳定性的关键因素，其一般是通过前驱体溶液挥发溶剂制备。在制备过程中，由于钙钛矿薄膜容易在其晶界和表面产生缺陷，导致钙钛矿薄膜易分解和产生非辐射复合，严重影响了钙钛矿太阳电池的性能及其应用。因此，开发出可制备具有较少缺陷的高效钙钛矿电池技术尤为重要。目前，表面“钝化”因其易于实现而被认为是减少缺陷最有效方法之一。
近日，刘生忠教授团队利用1，3-二甲基-3-咪唑六氟磷酸盐 (DMIMPF6)离子液体对钙钛矿吸收层表面缺陷进行“钝化”，理论计算和实验结果表明，[DMIM]+与钙钛矿表面的Pb2+结合，可以有效钝化Pb-I反位点缺陷，从而显著抑制非辐射复合，也使电池效率从21.09%提高到23.25%，DMIMPF6离子液体天然疏水，能够阻挡水分子对钙钛矿吸收层的侵蚀，进而有效提高钙钛矿太阳电池器件的环境稳定性。
相关研究成果以题为“High-efficiency perovskite solar cells with imidazolium-based ionic liquid for surface passivation and charge transport”发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。刘生忠教授、杨栋研究员、冯江山副研究员为共同通讯作者，博士研究生朱学杰为第一作者。
(4)钙钛矿已经具有高达25.2％的认证效率，已成为最高效率的薄膜太阳电池材料。但是在钙钛矿太阳能电池（PSC）商业化之前，必须解决由一些关键因素引起的严重不稳定性问题，这些主要因素包括大量缺陷，离子迁移，对水分的敏感性以及空穴传输层中的不稳定掺杂。
近日，刘治科教授（刘生忠教授团队）通过理论计算，选择了合适的多功能分子2,2-二氟丙二酰胺（DFPDA），在提高器件效率的同时解决了稳定性问题。具体而言，DFPDA中的羰基与Pb2+形成化学键并钝化配位不足的Pb2+缺陷，从而降低了钙钛矿的结晶速率，得到了高质量的钙钛矿薄膜；氨基不仅与碘化物结合以抑制离子迁移，而且增加了羰基上的电子密度以进一步增强钝化效果；F元素在钙钛矿表面改善薄膜湿度稳定性的同时又在钙钛矿和空穴传输层之间形成了桥梁，以实现有效的电荷传输。基于该方法制备的有机无机杂化钙钛矿太阳电池的光电转换效率达到22.21%。未封装的器件在空气中存储60天后，具有DFPDA添加剂的器件能够保持其初始效率的92%，热稳定性和光照稳定性也得到了显著的提升。
相关研究成果以题为 “Multifunctional Enhancement for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells” 发表在知名期刊Advanced Functional Materials上。第一作者为硕士研究生蔡园，刘治科教授和刘生忠教授为共同通讯作者。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005776
单原子催化剂是近些年来研究的热点，一方面可以大量降低贵金属的使用量，另一方面可以最大限度地暴露出金属活性位点。在分解水的反应中，目前单原子光催化剂和单原子电催化剂被广泛报道和应用，如在光催化反应中，反应金属物种通过单原子的形式掺杂进入半导体晶格，一方面可以调控半导体的光学吸收，另一方面该位点可以作为活性位点，而在电催化分解水中，单原子位点不仅可以增加电催化剂的导电性，同时又可以促进表面的质子还原或者水（羟基）的氧化反应。值得一提的是，在光催化反应中，助催化剂往往被用来增加分解水产氢或产氧的效率，这是因为光生半导体的寿命有限和表面反应速率慢等原因。
基于此，刘生忠教授团队利用理论计算预测了Pt颗粒在高温煅烧过程中的变化情况以及得到的单原子催化剂在分解水产氢中的低过电位。高温煅烧法在制备光催化复合材料中具有以下两个优点。首先，高温处理一方面增强了助催化剂与光催化剂之间的结合，有利于光生载流子在两者之间的界面迁移；其次，高温过程制备的单原子位点更稳定，在光催化反应过程中不会发生单原子位点的破坏。在通过光催化分解水产氢的实验中，制备出来的样品相比于Pt纳米颗粒作为助催化剂来说，其性能得到了很大的提升。该团队在理论指导下合成了一种掺杂SA-Pt的CN(Pt1-CN)和CuS(标记为Pt1-CN@CuS)的复合材料，由于其优良的光催化活性，Pt1-CN@CuS在LED-530光照下有效地裂解水，其AQY为50.3%。电化学测试验证了基于Pt-C4助催化剂的样品具有较低分解水产氢过电位以及载流子界面迁移势垒，DFT进一步得出质子吸附在该单原子位点上快速的电子迁移能力，该工作为制备高效光催化剂体系提供一个新策略。
相关研究成果以题为“Breaking Platinum Nanoparticles to Single-Atomic Pt-C-4 Co-catalysts for Enhanced Solar-to-Hydrogen Conversion”发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。青年教师闫俊青副教授和苏州大学纪玉金博士等为论文的并列第一作者，我院刘生忠教授和苏州大学李有勇教授等人为共同通讯作者。
来源：陕西师大
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