韩礼元课题组2019年钙钛矿光伏器件重要成果集锦！

韩礼元课题组

2020-03-16

纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是，上海交通大学的韩礼元教授课题组。

韩礼元教授的课题研究组一直专注于光电材料及器件的开发，太阳能电池的研究。

下面，我们简要介绍韩礼元教授课题组2019年部分重要成果，供大家交流学习（仅限于通讯作者文章，以online时间为准）。

1、韩礼元AEM：通过控制供体-π-受体分子的电子密度分布实现钙钛矿太阳能电池缺陷的有效钝化

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC）是近年来发展最为迅速、有前途的光伏技术。然而，钙钛矿层中大量的离子缺陷可作为非辐射复合中心，会限制PSC的性能。韩礼元团队采用不同电子密度分布的有机供体-π-受体（D-π-A）分子有效钝化了钙钛矿薄膜中的缺陷。XPS分析表明，分子中强电子供体N，N-二丁基氨基苯基单元会导致羧酸盐基团的钝化位点电子密度增加，从而更好地钝化未配位的铅缺陷。并且钙钛矿膜中的载流子寿命也随着D-π-A分子的供电子能力的增强而延长。基于上述的研究，该研究团队制备了转换效率达到20.43%的钙钛矿太阳能电池，同时，也强调了钝化分子的电子结构对于提高PSC效率和稳定性的重要性。

Wu T, et al. Efficient Defect Passivation forPerovskite Solar Cells by Controlling the ElectronDensity Distribution ofDonor-π-Acceptor Molecules. Advanced Energy Materials,2019.

DOI: 10.1002/aenm.201803766

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201803766

2、陈炜&韩礼元Nature Commun.：化学惰性铋界面层，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性

长期稳定性仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池（PSCs）商业化的关键问题。分子和离子的扩散导致光伏器件性能的不可逆地降解。华中科大陈炜联合上海交大的韩礼元团队报道了一种通过半金属铋界面层提高稳定性PSCs的简便策略。铋膜既可以防止钙钛矿外部水分的侵入，又可以保护金属电极免受碘腐蚀。基于铋界面的器件在受到湿度，热和光应力时,表现出极大改善的稳定性。未封装的器件在黑暗环境中保持其初始效率的88％超过6000 小时；在85 ℃热老化和关照在氮气氛中500小时后，器件分别保持其初始效率的95％和97％。

Wu, S., Chen, R., Zhang, S., Babu, B. H.,Yue,Y., Zhu, H., Yang, Z., Chen, C., Chen, W., Huang, Y., Fang, S., Liu, T.,Han, L.& Chen, W. A chemically inert bismuth interlayer enhanceslong-termstability of inverted perovskite solar cells. Nature Communications,2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09167-0

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09167-0

3、AM：13.2%！倒置无机钙钛矿太阳能电池

CsPbI₃是用于钙钛矿/硅串联太阳能电池的有前途的宽带隙材料，但它们在环境条件下容易经历从立方黑相到正交黄相的相变。这种相变是由水分引起的，这种水分会引起共顶八面体骨架（[PbI6]4-）的变形。韩礼元团队通过系统地控制表面有机末端基团的空间位阻来抑制立方CsPbI3中[PbI6]4-单元的八面体倾斜。

这种空间位阻有效地防止了晶格畸变，从而增加了相变的能垒。研究人员通过X射线衍射测量和密度泛函理论计算验证了该机制。同时，有机覆盖层的形成也可以钝化钙钛矿吸收剂的表面电子陷阱态。基于上述研究，研究人员获得了13.2％ PCE倒置平面钙钛矿太阳能电池，这是由倒置结构无机PSC实现的最高效率。更重要的是，优化的器件在环境条件下老化30天后扔保留了其初始PCE的85％，稳定性得到显著提升。

Wu,T. Han, Y. et al. Efficient and Stable CsPbI3 Solar Cells viaRegulating Lattice Distortion with Surface Organic Terminal Groups. AdvancedMaterials, 2019.

DOI:10.1002/adma.201900605

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201900605

4、Science: 稳定钙钛矿半导体的异质结构

韩礼元和杨旭东团队报道了一种解决方案处理策略，以稳定基于钙钛矿的异质结构。在具有富Pb表面的FA_xMA_1-xPb_{1+ y}I₃膜和氯化氧化石墨烯层之间形成强Pb-Cl和Pb-O键。构建的异质结构可以选择性地提取光生电荷载体并阻止软钙钛矿中分解组分的损失，从而减少对有机电荷传输半导体的损害。在AM1.5G太阳光下。在60℃下1000小时的最大功率点下测试后，活性面积为1.02 cm²的钙钛矿太阳能电池保持其初始效率的90％为（初始值为21％）。

Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors

https://science.sciencemag.org/content/365/6454/687

5、Joule: 高效稳定的钙钛矿太阳能电池组件

高效光电转换的操作稳定性对于钙钛矿装置的大规模应用的成功至关重要。由于钙钛矿的固有弱结构，碘化物代表最易挥发的成分，并且其扩散可引起不可逆的降解，这对实现稳定的钙钛矿组件提出巨大挑战。

上海交通大学杨旭东教授和韩礼元教授报道了一种低温处理策略，通过设计低维扩散阻挡层来提高高效钙钛矿太阳能组件的操作稳定性，将不需要的离子界面扩散减少10³-10⁷倍。最终获得了稳定高效的钙钛矿太阳能组件，超过15％，其面积为36 cm²。在85°C加热1,000小时后保持95％以上的初始效率，在AM 1.5 G中测试1,000小时后保持91％。该研究结果为实现稳定高效的钙钛矿太阳能电池组件提供了有效的策略。

Efficient Perovskite Solar Cell Modules with High Stability Enabled by Iodide DiffusionBarriers

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119303745

6、AM: 8.9％效率！高稳定FASnI₃钙钛矿太阳能电池

具有窄带隙和高电荷载流子迁移率的锡基钙钛矿是制备高效无铅钙钛矿太阳能电池（PSC）的有希望的材料之一。然而，锡基钙钛矿的结晶速率快，导致较多的陷阱状态和低开路电压（Voc）。韩礼元团队引入氢键以延迟FASnI₃钙钛矿的结晶速率。通过添加聚（乙烯醇）（PVA），PVA和FASnI₃之间的O-H... I-氢键相互作用具有引入成核位点，减缓晶体生长，引导晶体取向，减少陷阱状态和抑制碘离子的迁移。

在存在PVA添加剂的情况下，FASnI₃-PVA PSC获得了8.9％的效率，其中Voc从0.55降至0.63 V，这是基于FASnI₃的PSC的最高Voc值之一。更重要的是，FASnI₃-PVA PSC具有惊人的长期稳定性，在最大功率点运行400小时后效率未下降。该方法利用PVA和FASnI₃之间的O-H... I-氢键相互作用，适用于提高基于FASnI₃的PSC的效率和稳定性。

HighlyStable and Efficient FASnI₃‐Based Perovskite Solar Cellsby Introducing Hydrogen Bonding

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903721

7、Science China Chemistry: 中国钙钛矿太阳能电池的研究浪潮

钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其高效率和低生产成本而备受关注。尽管中国的学术研究起步较晚，但与欧洲和韩国相比，现在大多数活跃的PSC研究都在中国进行。此外，中国研究小组目前对单个PSC和PSC模组均拥有经认证的最高效率记录。中国还是世界上最大的太阳能电池组件供应商，使其成为一个实现PSC商业化的有前途的国家。韩礼元团队回顾了在中国（学术界和工业界）开展的PSC研究活动，并讨论了PSC早期商业化需要克服的重大挑战。建议研究活动从材料和器件结构的开发转向提高PSC稳定性和大面积模块制造的开发方法。此外，建议在中国急需一个公认的认证中心来进一步加快PSC的研究。

Research activities onperovskite solar cells in China，Science China Chemistry 2019, 62, 822.

https://doi.org/10.1007/s11426-019-9461-1

韩礼元教授，毕业于日本大阪府立大学应用化学专业，曾任职于在日本Dainippon Ink & Chemicals Inc和夏普公司研究。2008年-2017年，担任日本物材研究机构下一代太阳能电池中心主任，2011年至今上海交通大学讲席教授。

韩礼元教授在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上有很高的造诣。通过对染料敏化太阳能电池的电子传运机理的深入系统的研究，率先提出了电池的等效回路模型,为系统地提高转换效率和长期稳定性做出了贡献。随着高效率、低成本的钙钛矿太阳能电池的问世，近几年研究者们致力于全面提高钙钛矿太阳能电池的性能，追求更高效率，更好稳定性。韩礼元教授领导的团队把握机遇，深入研究钙钛矿太阳能电池，并一次次地取得重大突破，在钙钛矿太阳能电池高效率器件制备，大面积模块开发，稳定性等方面做出了卓越贡献。在Nature Energy，Nature Communication，Energy & Environmental Science，AdvancedMaterial等世界顶尖期刊上发表了许多高质量的研究成果。迄今为止，韩礼元教授已经在国际期刊上发表了200多篇高水平学术论文，申请专利200多项。未来一段时间内的主要研究方向仍然是研究开发大面积，高效率，高稳定性的钙钛矿太阳能电池，推动该型电池产业化进程，为解决能源短缺，缓解环境污染等问题做出应有的贡献。

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