Edward H. Sargent教授是国际光子学和材料学领域著名学者，是胶体量子点光探测领域的开拓者和量子点PN结太阳能电池的发明者。课题组主要研究方向有量子点太阳能电池、钙钛矿光电器件、光电催化和纳米传感器件。
2020年刚刚过了3个月，课题组已经在Science (2篇), Nature Catalysis, Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, JACS,Adv. Mater.等国际顶级学术期刊发表多篇论文。纳米人编辑部再次及时将研究成果整理汇总以飨读者。
下面，我们简要介绍Edward H. Sargent教授课题组2020年以来16篇重要成果，供大家交流学习。
以下篇幅分3个部分展开
Part Ⅰ 钙钛矿光伏器件
Part Ⅱ 量子点
Part Ⅲ 光电催化
Part Ⅰ 钙钛矿光伏器件
1. Science：25.7%效率！高效钙钛矿硅-串联太阳能电池
堆叠具有较小带隙的太阳能电池以形成双结膜，这有可能克服光伏电池的单结Shockley-Queisser极限。固溶钙钛矿的快速发展带来了钙钛矿单结效率超过25％。但是，该工艺尚未能够与行业相关的纹理化晶体硅太阳能电池进行单片集成。鉴于此，Edward H. Sargent 和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf团队报道了将溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合的叠层电池。
为了克服微米级钙钛矿中电荷收集的挑战，将硅锥体底部的耗尽宽度增加了三倍。此外，通过将自限钝化剂（1-丁硫醇）锚固在钙钛矿表面上，增加了扩散长度并进一步抑制了相偏析。
这些综合的增强功能使钙钛矿硅串联太阳能电池的独立认证效率达到了25.7％。这些器件在85°C下进行400小时的热稳定性测试后以及在40°C下在最大功率点跟踪400小时后，其性能损失可忽略不计。
YiHou et al. Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite ontextured crystalline silicon, Science, 2020.
DOI:10.1126/science.aaz3691.
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135
2. Nat. Commun.：增强的光路和电子扩散长度可实现高效钙钛矿叠层电池
基于金属卤化物钙钛矿子电池的叠层太阳能电池提供了超过单结极限的功率转换效率（PCE）的途径。然而，由于光子收集效率低下，据报道，叠层电池的PCE值目前仍低于其潜力。
EdwardH. Sargent团队通过保持钙钛矿薄膜的光滑形态来增加光程长度，同时使用一种增强溶剂萃取的方法来增加钙钛矿厚度。这些薄膜的载流子收集受到电子扩散长度不足的限制。进一步发现，添加路易斯碱会降低陷阱密度，并使电子扩散长度增加到2.3 μm，从而使1.63 eV半透明钙钛矿电池的平均PCE达到19％，平均近红外透射率为85％。。
钙钛矿顶部电池与溶液处理的胶体量子点/有机杂化底部电池相结合产生的PCE为24％；将钙钛矿电池与硅底部电池耦合时，PCE为28.2％。
Chen,B., Baek, S., Hou, Y. et al. Enhanced optical path and electron diffusionlength enable high-efficiency perovskite tandems. Nat. Commun., 2020.
DOI：10.1038/s41467-020-15077-3.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15077-3
3. Nat. Energy: 23%记录效率！倒置钙钛矿太阳能电池
倒置钙钛矿太阳能电池已经获得了越来越多的关注，因为它们具有较长的使用寿命。但是，与正置钙钛矿太阳能电池相比，它们的效率显著降低。阿卜杜拉国王科技大学Osman M. Bakr和Edward H. Sargent 团队使用痕量的具有不同链长的表面锚定烷基胺配体（AAL）作为晶粒和界面改性剂来减少这种效率差距。
研究表明，添加到前体溶液中的长链AAL抑制了非辐射载流子的复合并改善了混合阳离子混合卤化物钙钛矿薄膜的光电性能。所得的AAL表面改性膜表现出突出的（100）晶面取向和较低的陷阱态密度以及增强的载流子迁移率和扩散长度。
器件获得了认证的22.3％稳定效率（对于实验室测量的最高器件效率为23.0％）。该器件在AM1.5G照明下以最大功率工作超过1,000 h，而不会损失效率。
Managing grains and interfacesvia ligand anchoring enables 22.3%-efficiency inverted perovskite solar cells，Nature Energy 2020.
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0538-4
4. Adv. Mater.：超薄2D合钙钛矿层提高混合锡-铅钙钛矿太阳能电池的性能
窄带隙(Eg≈1.2 eV)混合锡-铅(Sn-Pb)卤化物钙钛矿的发展使得全钙钛矿串联太阳能电池成为可能。尽管纯卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)在效率和稳定性方面同时取得了进步，但在Sn-Pb太阳能电池中实现这一关键结合仍然是一个挑战。
基于此，EdwardH. Sargent和南京大学谭海仁团队提出一种将Sn-Pb钙钛矿颗粒与超薄层钙钛矿结合的方法，可以克服效率-稳定性之间的权衡。通过在反溶剂中直接引入苯乙铵配体来实现钙钛矿膜表面和晶界处的缺陷钝化，这不仅改善了器件的工作稳定性，还避免了阻碍电荷传输的层状钙钛矿的过度形成。
Sn-PbPSCs的填充系数为79％，认证的能量转换效率（PCE）为18.95%，是目前报道的Sn-PbPSCs中的最高值。使用该方法组装成的器件，在AM1.5G全光照射下，与未钝化的Sn-Pb PSC相比，其工作寿命可以提高200倍，此外，在经过滤波的AM1.5G照明下，仍可以实现长达200小时的工作时间，而性能不会下降。
MingyangWei et al. Combining Efficiency and Stability in Mixed Tin–Lead Perovskite Solar Cellsby Capping Grains with an Ultrathin 2D Layer. AdvancedMaterials. 2020.
DOI: 10.1002/adma.201907058.
https://doi.org/10.1002/adma.201907058
5. Nat. Commun.：通过电荷传输层调节钙钛矿薄膜中的应变
退火后残留在钙钛矿薄膜中的热诱导拉伸应变会导致离子迁移增加，并且是这些材料不稳定的已知因素。先前报道的钙钛矿太阳能电池（PSC）的应变调节方法已利用具有高热膨胀系数的基底，从而限制了钙钛矿的加工温度并降低了器件效率。Edward H. Sargent团队通过从空穴传输层引入外部压缩应变来补偿残余拉伸应变。
通过使用具有高热膨胀系数的空穴传输层，通过提高空穴传输层的加工温度来补偿PSC中的拉伸应变。研究发现压缩应变增加了离子迁移的活化能，从而改善了钙钛矿薄膜的稳定性。对于压缩应变的PSC而言，效率为16.4％；在85 °C加热1000小时后，仍保留了96％的初始效率。
Xue,D., Hou, Y., Liu, S. et al. Regulating strain in perovskite thin films throughcharge-transport layers. Nat. Commun. 11, 1514 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-15338-1
6. ACS Energy Letter: 抑制锡基钙钛矿薄膜的Sn(II)氧化问题
目前，大多数的钙钛矿材料的中心金属用到的为Pb(II)，但是由于Pb(II)具有高毒性和易降解性，导致其难以实现大量应用。目前人们认为将Pb用其他种类的金属替代，提高光伏性能是非常重要的途径。最近的高通量计算中显示，各种ABX3型钙钛矿材料中，Pb和Sn两种材料是效果最好的光伏材料。因此，将Pb替代为Sn是非常有希望的。但是，Sn(II)容易发生氧化反应，生成Sn(IV)的化合物。Sn(IV)中心体现了电荷复合能力，会导致太阳能电池中效率大量损失。人们开发了多种方法缓解Sn(II)的氧化，比如掺杂、还原氛围、反歧化（comproportionation）策略等。通过这些方法，目前却只能达到Pb基太阳能电池效率的一半。
美国西北大学Kanatzidis和Edward H. Sargent团队对Sn(II)基太阳能电池中存在的氧化问题进行报道。DMSO能够在150 ℃的CH3NH3I和PbI2混合溶液中，将甲胺阳离子转化为二甲胺阳离子。DMSO在酸性溶液中对Sn(II)具有氧化能力，因此在钙钛矿溶液中，DMSO能够将Sn(II)氧化。将碘化甲咪和SnI2溶解在DMSO，在惰性气氛中于120 ℃加热5小时。发现溶液颜色发生明显改变，颜色变得更深，说明了反应中生成Sn(IV)。通过1H NMR，X射线XAFS测试方法，作者发现DMSO/Sn(II)通过还原反应，生成了二甲基硫和Sn(IV)。
DMSO能够在100 ℃附近将Sn(II)氧化，并且极少量的Sn(IV)就可以让电池的工作电压明显降低（< 0.5 V，比0.9 V的理论值要低很多）。因此开发不含DMSO体系合成Sn(II)基钙钛矿是关键点。
Conventional Solvent Oxidizes Sn(II) inPerovskite Inks, ACS Energy Lett. 20205.
DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00402.
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.0c00402
7. Adv. Sci.：最高纯度红光！锡基钙钛矿发光二极管
基于钙钛矿的发光二极管（PeLED）现在正接近外部量子效率（EQE）的上限；然而，由于铅的依赖和色纯度不足，它们的应用目前受到限制。2020年，国际照明委员会(CIE)要求红色发光体的坐标为（0.708，0.292），但目前的钙钛矿器件只能达到（0.71，0.28）。鉴于此，多伦多大学Edward H. Sargent和Zheng‐Hong Lu团队报道了无铅PeLED的色坐标为（0.706，0.294），是红色PeLED中报告的最高纯度。
根据温度和施加电势对发射光谱的变化进行了评估，发现在低温下发射红移小于3 nm，在工作电压下红移小于0.3 nm V-1。进一步确定了Sn的主要氧化途径，并借助H3PO2抑制了其氧化。
该策略通过适度的还原性能以及络合物的形成（增加了对Sn氧化的能量屏障），防止了薄膜氧化。H3PO2还可在成膜过程中促进晶体生长，从而改善膜质量。PeLED的EQE为0.3％，亮度为70 cd m-2。这是报道的无铅红色发光PeLED的最高效率。
HongyanLiang et al. High Color Purity Lead‐Free Perovskite Light‐Emitting Diodes via SnStabilization，Advanced Science, 2020.
DOI：10.1002/advs.201903213.
https://doi.org/10.1002/advs.201903213
8.JACS: 光化学交联量子阱配体改善钙钛矿光伏器件的稳定性
钙钛矿太阳能电池的部署将取决于这些材料内的有源层和界面的操作和环境稳定性的进一步进展。低维钙钛矿，也称为钙钛矿量子阱（PQWs），利用自身的有机配体保护钙钛矿晶格可免于降解，并可改善器件稳定性;在异质结构中结合2D和3D钙钛矿已被证明可以实现充分利用3D有源层的高效率和2D顶层的稳定性。先前的PQW依赖于配体的疏水性有机部分之间相对弱的内部范德华键合。EdwardH. Sargent团队使用配体4-乙烯基苄基铵在3D钙钛矿层上形成良好有序的PQW。使用UV光活化配体的乙烯基，其在PQW之间光化学形成新的共价键。
紫外交联的2D/3D器件显示出改善的操作稳定性以及改善的空气中长期黑暗稳定性：它们在2300小时的暗老化后保持其初始效率的90％。UV交联的PQW和2D/3D界面可降低器件迟滞并将开路电压提高至1.20 V，从而实现更高效的器件（PCE高达20.4％）。这项工作突出了利用PQW配体的化学反应性来定制PQW界面的分子特性，以改善2D/3D钙钛矿光伏电池的稳定性和性能。
Photochemically Crosslinked Quantum Well Ligandsfor 2D/3D Perovskite Photovoltaics with Improved Photovoltageand Stability. JACS, 2019.
DOI: 10.1021/jacs.9b05083.
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b05083?rand=q0dwvwyi
9. Joule：高效钙钛矿型太阳能聚光器的溶剂-溶剂配位工程
发光太阳能集中器（LSC）可以大面积收集与建筑物集成光伏相关的太阳光。由于钙钛矿的光电特性以及使用多量子阱（MQW）结构可获得的大斯托克斯位移，降低尺寸的金属卤化物钙钛矿纳米片（PNPL）成为低损耗大面积LSC的候选者。使用溴基PNPL的LSC已被证明；然而，溴基钙钛矿的带隙限制了吸收范围。
EdwardH. Sargent团队采用基于碘的PNPL允许更广泛的吸收，设计了PbIx2-x前体复合物的化学结构，适当的MQW分布才能实现高效发光。
通过控制前体溶液的极性和Lewis碱度，可以调节溶剂-Pb2+配位并合成具有均匀MQW分布的PNPL。薄膜PLQY（光致发光量子产率）达到56％，光散射效率为2.0％，与10×10 cm LSC相比，与先前报道的最佳室温加工钙钛矿LSC相比，提高了1.3倍。
ZiliangLi et al. Solvent-Solute Coordination Engineering for Efficient PerovskiteLuminescent Solar Concentrators，Joule, 2020.
DOI:10.1016/j.joule.2020.01.003.
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30030-1?rss=yes
10. Adv. Sci.：混合钙钛矿中的非均相过饱和
基于混合卤化钙钛矿的薄膜太阳能电池已经实现了超过24％的认证功率转换效率，已接近晶体硅。这激发了对决定其性能的机制的深入研究。已经提出了孪晶缺陷位点作为钙钛矿中陷阱的来源，但是它们的起源和对光伏性能的影响仍然不清楚。
鉴于此，多伦多大学Edward H. Sargent 和国立清华大学Lih Juann Chen团队对其进行了深入研究。孪晶缺陷（通过透射电子显微镜和X射线衍射观察到）与钙钛矿中添加的抗溶剂量相关，并且性能最高的钙钛矿光伏器件中的孪晶缺陷得到抑制。讨论了异质过饱和成核作用，这是有效的基于钙钛矿的光电器件的贡献者。
ChihShan Tan et al. Heterogeneous Supersaturation in Mixed Perovskites，Advanced Science, 2020.
DOI:10.1002/advs.201903166.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903166
11. Nat. Commun.: 边缘稳定的低维钙钛矿
尺寸减小的钙钛矿由于其有效的发光、色纯度、可调节的带隙和结构多样性而成为有吸引力的发光材料。钙钛矿发光二极管的主要限制是其有限的工作稳定性。
多伦多大学Edward H. Sargent和Zheng-Hong Lu团队证明了快速光降解是由边缘引发的光氧化作用引起的，其中氧化过程是从纳米片边缘开始，并产生超氧化物的光生和电注入载体驱动。
鉴于此，研究人员开发了一种边缘稳钝化策略，其中氧化膦在钙钛矿结晶过程中钝化了不饱和铅位。通过这种方法，合成了尺寸减小的钙钛矿，该钙钛矿在空气环境中连续照射时表现出97±3％的光致发光量子产率和稳定性超过300h。实现了在1000 cd m−2时具有14％的峰值外部量子效率（EQE）的绿色发光器件；其最大亮度为4.5×104 cd/ m-2（对应于5％的EQE）；并且在4000 cd m−2时，工作半衰期为3.5 h。
Edgestabilization in reduced-dimensional perovskites, Nat. Commun. 2020.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13944-2
12. JACS: 氯化物插入固定，蓝光钙钛矿LED更稳、更亮！
光谱稳定性、光谱宽化和器件稳定性是蓝色钙钛矿LED急需解决的问题。鉴于此，多伦多大学Edward H. Sargent等人通过氯化物插入固定的方法实现了具有窄带（线宽18 nm）和光谱稳定（无波长偏移）的蓝色钙钛矿LED。
在溴基钙钛矿的基础上，采用有机氯化物进行动态处理，将氯化物插入并原位固定以使蓝移并稳定光谱。天蓝色LED （489 nm）的亮度超过5100 cd / m2，在1500 cd / m2条件下的半衰期为51分钟。通过器件结构的优化，479 nm处的EQE提升到了5.2％，在100 cd/ m2时的半衰期为90分钟。
DongxinMa, et al. Chloride Insertion–Immobilization Enables Bright, Narrowband, and StableBlue-Emitting Perovskite Diodes. JACS 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b12323.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12323
Part Ⅱ 量子点
13. Adv. Mater.：一种用于高效胶体量子点太阳能电池的化学正交空穴传输层
胶体量子点(CQDs)因其溶液易处理和带隙可调谐而备受关注。CQD光电器件性能的提高需要对器件材料栈中各层的性能进行精细控制。这对目前最好的CQD太阳能电池来说极具有挑战性，因为这些电池主要采用p型空穴传输层(HTL)，在CQD活性层的顶部使用1,2-乙醇二硫醇(EDT)配体交换实现。研究表明，EDT的高反应活性会导致活性层发生严重的化学腐蚀，从而导致电荷提取能力的退化。将元素映射与CQD太阳能电池的空间电荷收集效率相结合，证明了主导现有CQD光伏器件性能的关键材料接口。
多伦多大学的Edward H. Sargent等人开发一种由丙二酸交联CQDs组成的化学正交HTL。新的交联策略保留了活性层的表面化学性质，同时提供了所需的有效电荷提取。新的HTL可使活性层中的电荷载体扩散长度增加了1.4倍；因此，与EDT标准电池(12.2%)相比，功率转换效率提高到13.0%。
Biondiet al., A Chemically Orthogonal Hole Transport Layer for Efficient
ColloidalQuantum Dot Solar Cells. Adv. Mater. 2020, 1906199
DOI:10.1002/adma.201906199.
https://doi.org/10.1002/adma.201906199
Part Ⅲ 光电催化
14. Science：高效电解CO2生成多碳产物
CO2电解转化为有价值的燃料和原料是CO2转化的有效途径。然而，由于气体通过液体电解质扩散到催化剂表面的限制，导致产率往往不高。
有鉴于此，加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent 和David Sinton团队设计了一种新型催化剂：离聚物本体异质结（CIBH）结构。CIBH包含金属和具有疏水、亲水功能的超细离聚物层，这种新型的催化剂可将气体，离子和电子的传输解耦，气体和离子的传输范围从数十纳米扩展到微米级。
通过此策略，研究人员在7 M KOH电解液（pH≈15）中，在铜上实现了CO2的高效电解还原。在45％的阴极能量效率下，乙烯分流密度可达1.3 A/cm2。
CO2electrolysis to multicarbon products at activities greater than 1 A cm−2， Science，2020
DOI:10.1126/science.aay4217.
https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661
15. Nature Catalysis：调节OH结合能实现乙烯选择性电化学氧化为乙二醇
开发直接由可再生电力提供动力的高效的电化学方法用于制备化学商品具有重大意义。其中一种至关重要的化学品是乙二醇，它可用作防冻剂和聚合物前体，每年的消费量约为2000万吨。在由乙烯氧化制乙二醇的过程中，需要将两个OH基团连续转移至乙烯，这其中可能涉及*C2H4OH中间体。因此，OH的结合能将是该过程中的关键因素。此外，一旦形成乙二醇，它很可能会通过其氧原子吸附到催化剂表面，因此，调节OH结合能可以使其易于解吸，从而避免不必要的进一步氧化。
多伦多大学Edward H.Sargent团队报道了一种在环境温度和压力下，在水性介质中将乙烯选择性部分氧化为乙二醇的一步式电化学路线。 作者认为，催化剂与OH结合能的调控对促进OH转移至*C2H4OH形成乙二醇至关重要。计算研究表明，金掺杂的钯催化剂(3.2 at.%Au)可以有效地执行此步骤，并且，作者通过实验发现它对乙二醇具有80％的高法拉第效率，并在连续运行100个小时后仍能保持其性能。该工作为在温和条件下设计水性介质中的其它阳极部分氧化反应提供了有用的参考，并指明了化学工业中实现电气化的一种途径。
Yanwei Lum, et al. Tuning OH binding energyenables selective electrochemical oxidation of ethylene to ethyleneglycol. Nat. Catal., 2020
DOI: 10.1038/s41929-019-0386-4
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4
16.JACS：通过调节中间吸附，提高铜镍合金上的硝酸盐对氨的活性
将NO3−电化学转化为氨（NH3）可以循环利用氮，并为生产NH3提供了一条比氮气更有价值的途径。但由于缺乏一个有关调节催化剂结构以提高催化活性的机制，NO3−电还原的发展仍然受到重重阻碍。
有鉴于此，EdwardH. Sargent团队证明了在Cu50Ni50合金催化剂上硝酸盐还原反应（NO3−RR）的性能得到了增强。这项工作提出了中间吸附能与CuNi催化剂上NO3−RR活性之间的关系，通过用Ni代替50％的Cu，能够显著提高了NO3−还原为NH3的性能。性能的提升包括半波电位上移了0.12 V，实现最佳NH3法拉第效率（FE）的过电位降低了0.2 V。在碱性条件下（pH = 14），与0 V（vs. RHE）的纯铜相比，Cu50Ni50合金催化剂的NO3−RR活性提高了6倍。
电子结构研究表明，d带中心向费米能级上移，这一特征增强了中间吸附能。通过DFT计算验证了这种关系，由于NO3−在CuNi表面的吸附能增强，降低了过电位，发现引入Ni原子会使电位相关阶跃（PDS）从NO3−吸附转变为*NH2加氢，从而确定了NO3−RR-NH3的路径。催化剂电子结构与NO3−RR活性之间的这种相关性为进一步开发NO3−RR催化剂提供了设计平台。
YuhangWang et al. Enhanced nitrate-to-ammonia activity on copper-nickel alloys viatuning of intermediate adsorption. J. Am. Chem. Soc. 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b13347.
https://doi.org/10.1021/jacs.9b13347
Edward H. Sargent教授简介
Edward H. Sargent教授是多伦多大学电子与计算机工程系教授，多伦多大学副校长、加拿大科技部纳米技术分部主席、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士。同时也是InVisage Technologies创始人，Xagenic共同创始人，AAAS会士，IEEE会士，ACS Photonics副主编。
他在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文400多篇，被引用超过39000次。
课题组主页：https://light.utoronto.ca/
（部分图片及简介，来源于网络及Edward H.Sargent教授课题组主页）
