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研究表明，控制鈣鈦礦-襯底界面中鈣鈦礦的形貌和缺陷對于倒置鈣鈦礦太陽能電池來說具有挑戰(zhàn)性。

在此，華東理工大學吳永真教授，朱為宏教授，德國波茨坦大學Martin Stolterfoht教授，吉林大學張立軍教授，華中科技大學陳煒教授報道了一種兩親分子空穴轉(zhuǎn)運蛋白（2-(4-(雙(4-甲氧基苯基)氨基)苯基)-1-氰基乙烯基）膦酸，其特征是多功能氰基乙烯基膦酸基團并形成用于鈣鈦礦沉積的超潤濕襯底，這使得高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜在界面處具有最小的缺陷。

實驗結(jié)果顯示，所得鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率為17%，Shockley-Read-Hall壽命接近7微秒，并在1.21V的開路電壓和84.7%的填充因子下實現(xiàn)了25.4%的認證功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

此外，1平方厘米和10平方厘米微型模塊的PCE分別為23.4%和22.0%。更加重要的是，封裝模塊在操作和濕熱測試條件下均表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。

相關(guān)文章以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）已達到高于25%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），接近最先進的晶體硅太陽能電池的PCE，但進一步提高PSC的性能和穩(wěn)定性將需要對鈣鈦礦吸收層和電荷傳輸層之間的界面進行定制。

對鈣鈦礦薄膜頂表面及其與電荷傳輸層界面的深入研究有助于常規(guī)（n-i-p）和倒置（p-i-n）結(jié)構(gòu)的PSC的PCE的提升，但鈣鈦礦-襯底界面處形貌和缺陷調(diào)控更具挑戰(zhàn)性，特別是在倒置結(jié)構(gòu)PSC的情況下，已經(jīng)通過簡化和低溫制造程序和改進的器件穩(wěn)定性得到了證明。

在倒置的PSC中，鈣鈦礦吸收層沉積在空穴傳輸層（HTL）上，其對鈣鈦礦成核和異質(zhì)結(jié)形成至關(guān)重要。

通常來說，溶液處理金屬鹵化物鈣鈦礦的常用溶劑是兩親性小分子，如N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO），但很多常用的HTL，如聚三芳胺（PTAA），或倒置PSC的自組裝單層（SAM），但這相對于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液過于疏水，或者在與鈣鈦礦接觸時化學不穩(wěn)定。

這兩個因素都會在鈣鈦礦-襯底界面產(chǎn)生形貌、成分或電子缺陷，從而限制光伏性能和穩(wěn)定性。在大多數(shù)情況下，HTL會降低鈣鈦礦吸收層的輻射效率并增加整體非輻射復合損耗。

因此，倒鈣鈦礦太陽能電池中使用的許多空穴傳輸材料要么疏水性太強，無法潤濕鈣鈦礦前驅(qū)體，要么會與鈣鈦礦反應，這導致這些層之間的界面產(chǎn)生性能限制缺陷。

圖文詳解

基于“物以類聚”的原理，并考慮鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的兩親性性質(zhì)，本文證明了兩親分子空穴轉(zhuǎn)運蛋白[（2-(4-(雙(4-甲氧基苯基)氨基)苯基)-1-氰基乙烯基）膦酸，或MPA-CPA]與多功能氰基乙烯基膦酸基團通過增強鈣鈦礦沉積和鈍化最小化界面缺陷。

在這種兩親性底層上沉積帶隙為1.56 eV的混合陽離子和混合鹵化物鈣鈦礦實現(xiàn)了7 μs的Shockley-Read-Hall壽命、17%的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）和前所未有的1.24 eV高準費米能級分裂（QFLS）。

在HTL上沒有任何修飾層的情況下，得到的倒置PSC在0.08厘米的掩模面積上實現(xiàn)了25.4%的認證PCE。同時提高開路電壓和填充因子，使用這種改進的鈣鈦礦沉積技術(shù)來制造大面積器件和模塊，其PCE分別為23.4%（1 cm²）和22.0%（10 cm²）。

圖1. 具有超潤濕特性的兩親性分子空穴轉(zhuǎn)運體有助于沉積高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜

MPA-CPA的化學結(jié)構(gòu)如圖1A所示，該兩親性分子具有親水性CPA錨定基團和疏水性甲氧基取代的三苯胺（MPA）空穴提取基團。與PTAA只能溶解在甲苯和氯苯等低極性溶劑中不同，MPA-CPA可以溶解在高極性和低極性溶劑中。

同時，還測試了SAM在不同溶劑中的溶解度，發(fā)現(xiàn)其兩親性低于MPA-CPA。這種差異可能是由于設(shè)計的CPA基團具有增強的親水性，該基團是由與膦酸相鄰的極性和吸電子氰基引起。

在將MPA-CPA溶液旋涂到玻璃-氧化銦錫（ITO）襯底上后，將形成雙層堆疊（圖1B），由化學錨定的SAM和未吸附的無序覆蓋層組成。由兩親性MPA-CPA（未吸附）組成的覆蓋層相對于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液表現(xiàn)出超潤濕特性，并且具有小接觸角（~5°），有利于鈣鈦礦沉積，特別是對于大面積襯底。

相比之下，鈣鈦礦溶液在PTAA和2PACz HTL上的接觸角分別為33.5°和17.9°（圖1，C-E）。覆蓋層的存在對于超潤濕性能至關(guān)重要，旋涂液中MPA-CPA濃度增加后，接觸角減小，但用DMF和DMSO的混合溶劑洗滌覆蓋層后，鈣鈦礦溶液的擴散受到抑制，這表明雙層的形成。

圖2.?界面的形貌表征

圖3.?MPA-CPA中氰基對典型鈣鈦礦表面缺陷的鈍化效應的第一性原理模擬

光伏性能

為了研究不同HTL的光伏性能，作者制備了不同面積的倒置PSCs（0.1 cm²和1 cm²），均顯示出優(yōu)異的性能。值得注意的是，根據(jù)國際有機光伏穩(wěn)定性峰會（ISOS）協(xié)議，在加速老化條件下評估了基于不同HTL的太陽能組件的穩(wěn)定性。

在連續(xù)空氣質(zhì)量下1.5 G 100 mW cm^-2在45°C（ISOS-L-1，僅光）下，在30至40%相對濕度（RH）下在環(huán)境空氣中的照明，所有模塊的PCE在連續(xù)運行500小時內(nèi)幾乎保持不變（圖4G），基于MPA-CPA的模塊在2000小時后保留了其初始PCE的90%。

除了操作穩(wěn)定性外，作者還按照IEC61215：2016標準進行了濕熱穩(wěn)定性測試。基于MPA-CPA 的模塊在濕熱測試（85°C和85% RH）下500小時運行后保持高于95%的初始性能。

圖4. PSC的光伏性能

總之，本文解決了如何通過開發(fā)兩親分子空穴轉(zhuǎn)運蛋白來控制倒置PSC界面缺陷的長期問題。MPA-CPA分子不僅在ITO襯底上形成了高效的空穴選擇性SAM，而且通過提供超潤濕底層增強了鈣鈦礦沉積。

所設(shè)計的CPA基團表現(xiàn)出更好的親水性和缺陷鈍化能力，這是氰基和膦基與鉛離子的協(xié)同配位的效果，其界面缺陷的減少可實現(xiàn)倒置PSC和模塊的高效、穩(wěn)定和可擴展性。

同時，兩親底層設(shè)計策略對于其他基于鈣鈦礦的光電器件具有普遍用途。未來的研究將集中在管理鈣鈦礦-ETL界面處的非輻射復合和能量排列，以進一步提升MPA-CPA/鈣鈦礦的效率。

文獻信息

吳永真，博士，華東理工大學-化學與分子工程學院教授，博士生導師。研究方向：有機/雜化材料的分子設(shè)計、合成及光電功能研究。

主要包括：1）鈣鈦礦太陽能電池；2）染料敏化太陽能電池；3）光催化分解水制氫。以太陽能的高效轉(zhuǎn)換和利用為目標，重點關(guān)注光-電-化學轉(zhuǎn)換過程的電荷轉(zhuǎn)移與能量傳遞，新材料的設(shè)計開發(fā)與相關(guān)器件的優(yōu)化，特別注重新型低成本太陽能電池技術(shù)的穩(wěn)定性強化與光電轉(zhuǎn)換效率提升。

已發(fā)表SCI論文80余篇，其中以第一或通訊作者發(fā)表論文期刊包括Nature Energy、Science、Angew Chem Int Ed, Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Energy Mater等，20篇論文曾入選ESI高被引論文，9篇論文曾入選ESI熱點論文，論文SCI他引11000余次，單篇最高他引1800余次。

來源：https://www.x-mol.com/groups/wu_yongzhen

朱為宏，現(xiàn)任華東理工大學副校長、精細化工研究所所長。國家杰出青年基金獲得者（2013年），科技部重點研發(fā)項目首席科學家，曾入選教育部長江學者特聘教授（2015年）、中組部萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2016年）、國務院特殊津貼（2018年）、上海市科技精英（2022年）、教育部新世紀優(yōu)秀人才（2007年）、上海市學術(shù)帶頭人（2015年）。

1992年7月畢業(yè)于南京師范大學化學系，1995年7月在南開大學化學系獲有機化學碩士學位，1999年7月在華東理工大學獲應用化學博士學位，2001年10月至2003年4月，日本筑波國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院（AIST）納米研究所博士后研究，2004年7月至2005年3月，日本筑波大學先進學際研究中心（TARA Center）外國人研究員（高級訪問學者）。

目前主要從事化學產(chǎn)品工程研究，涉及光敏化學品功能化及產(chǎn)品化。迄今已在Nature、Nature Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Adv. Mater.、Matter、Nature Commum.、Energy Environ. Sci.、National Science Review、Sci. China. Chem.、CCS Chem.、AIChE J.、IECR 等期刊上發(fā)表 SCI論文330余篇，共被SCI引用近2.2萬余次， H指數(shù)為78，科睿唯安化學領(lǐng)域“高被引科學家”（Highly Cited Researchers）。

申請中國發(fā)明專利36項，其中28項已授權(quán)，曾獲國家自然科學獎二等獎兩項（2019年，第一完成人；2007年，第三完成人）、上海市自然科學獎一等獎兩項（2017年，第一完成人；2006年，第三完成人）、上海市科技進步獎一等獎（2020年，第一完成人）、上海市牡丹獎等。

來源：https://whzhu.ecust.edu.cn/

張立軍，男，博士，吉林大學材料科學與工程學院教授，吉林大學“唐敖慶學者”卓越教授，博士生導師。主要從事半導體材料物理、半導體光電材料、材料計算模擬、新材料設(shè)計方面的科學研究工作?。

現(xiàn)任吉林大學材料科學與工程學院院長。從事半導體材料物理、半導體光電材料、材料計算模擬、新材料設(shè)計方面的研究工作。近年來聚焦半導體光電材料，應用自主研發(fā)的材料設(shè)計方法與軟件JAMIP(Jilin Artificial-intelligence aided Materials-design Integrated Package)，開展新材料設(shè)計與物性調(diào)控研究?。

具體研究方向：半導體材料物理，光電半導體材料(太陽能電池材料、發(fā)光顯示材料、光電探測材料、光催化材料等)?，復雜材料體系的材料模擬方法及材料設(shè)計方法的發(fā)展與應用。

來源：

http://dmse.jlu.edu.cn/info/1182/3995.htm

陳煒，華中科技大學教授，長期從事新型太陽能電池材料和器件應用方面的研究工作，近年來在鈣鈦礦太陽能電池方面取得了突出研究成果。

2015年獲得國際上首個大面積（1cm2）鈣鈦礦太陽能電池認證效率記錄，寫進Martin Green編纂的權(quán)威效率記錄表。近期進一步獲得國際多個大面積（>20cm2）鈣鈦礦太陽能模組認證高效率?；诙嘣趸锕倘荏w和摻雜技術(shù)，率先引入“兼顧效率和穩(wěn)定性的界面工程”，發(fā)展“Sr-Pb復合鈣鈦礦材料”、“新型無機半導體界面材料”、“鈣鈦礦/PCBM漸變異質(zhì)結(jié)”、“Bi基惰性金屬電極”等新材料、新結(jié)構(gòu)和新概念，有效改善了鈣鈦礦太陽能電池，尤其是具有實用性的大面積器件的效率和穩(wěn)定性。對于推動新一代光伏技術(shù)——鈣鈦礦太陽能電池克服產(chǎn)業(yè)化瓶頸，具有重要的學術(shù)意義和應用價值。

近年先后主持自然科學基金4項、國家重點研發(fā)計劃青年項目（子課題負責1項）、與企業(yè)合作研發(fā)橫向課題2項，參與國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）1項等科研項目。

迄今共發(fā)表SCI收錄論文70余篇，其中第一作者或通訊作者（含共同）共計47篇（包括Science 1篇，Science Advances 2篇，Nature Energy 1篇，Nauture Commun 1篇，Energy & Environmental Science 1篇，Adv Mater 2篇， Adv Energy Mater 2篇， Adv Funct Mater 1篇）。

截至目前，論文共被引用7000余次，2篇論文入選ESI熱點論文，9篇論文入選ESI高被引論文，H因子為44。申請中國發(fā)明專利23項，已獲授權(quán)13項，申請PCT國際專利2項。

來源：

http://faculty.hust.edu.cn/chenwei12/zh_CN/more/1328153/jsjjgd/index.htm

文獻信息

Shuo Zhang?, Fangyuan Ye?, Xiaoyu Wang?, Rui Chen?, Huidong Zhang, Liqing Zhan,

Xianyuan Jiang, Yawen Li, Xiaoyu Ji, Shuaijun Liu, Miaojie Yu, Furong Yu, Yilin Zhang,

Ruihan Wu, Zonghao Liu, Zhijun Ning, Dieter Neher, Liyuan Han, Yuze Lin, He Tian, Wei Chen*, Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells, Science, 2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/13/ef58aa3f74/

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