纳米人-UCLA杨阳课题组2018年太阳能电池重要成果集锦！

UCLA杨阳课题组2018年太阳能电池重要成果集锦！

坡肉先生纳米人 2019-01-22

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纳米人编辑部对2018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，我们要介绍的是加州大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳课题组。

杨阳教授课题组在半导体材料与器件方面有着20余年的研究经验，创造了该领域的多项世界纪录。主要研究方向为有机太阳能电池，钙钛矿太阳能电池，钙钛矿发光二极管，生物传感器，薄膜晶体管。

下面，我们简要介绍杨阳教授课题组2018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）。

钙钛矿太阳能电池

近年来，钙钛矿太阳能电池因其高的转换效率、简单的制备工艺和低廉的制造成本受到了全球学术界和产业界的广泛关注，发展迅速。钙钛矿太阳能电池实际应用的重要瓶颈和关键问题在于如何实现低成本、大面积、高效率器件及解决稳定性的难题。2018年，杨阳教授课题组在钙钛矿太阳能电池领域做出了诸多贡献。

1. 22.43%的叠层钙钛矿太阳能电池丨Science

叠层电池的界面连接层对整个电池性能起到关键性决定作用，既要保证有效的电学连接，又要保证较高的光学透过性。杨阳课题组及其合作者发展了一种高效的钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂两节叠层钙钛矿太阳能电池。有机无机杂化钙钛矿作为前电池，CIGS作为后电池。通过纳米尺度的界面工程化处理，控制CIGS的表面粗糙度，以及应用重度掺杂的有机空穴传输层PTAA，获得了最佳界面。叠层电池实现了22.43%的效率，未封装的电池在标准光辐照下经过500小时老化测试后，效率仍可保持90%左右。

Han Q,Hsieh Y-T, Meng L, et al. High-performance perovskite/Cu(In,Ga)Se₂monolithic tandem solar cells[J]. Science, 2018.

DOI:10.1126/science.aat5055

http://science.sciencemag.org/content/361/6405/904

2. 效率超过21％，共轭聚合物增强钙钛矿的热稳定性丨JACS

UCLA的杨阳教授联合李永舫院士团队采用一种低成本，稳定的共轭聚合物（PTQ10）作为平面n-i-p结构钙钛矿太阳能电池中的界面层。聚合物在热退火之前，将其应用于钙钛矿中间相。这种策略显着减少了热退火过程中表面有机阳离子的损失。重要的是，钙钛矿晶体显示出更优先的取向和聚合物的能级匹配有利于提高电池的性能。组装的器件效率高达21.2％，填充因子突破81.6％，也表现出很好的环境和热稳定性。

MengL, et al. Tailored phase conversion under conjugated polymer enables thermally stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 21%[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018.

DOI:10.1021/jacs.8b10520

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/jacs.8b10520

3.二维钙钛矿稳定三维钙钛矿丨Nature Commun.

钙钛矿的组分工程是提高甲脒钙钛矿(FAPbI₃)相稳定性和改善水稳定性的有效手段，然而，这伴随着钙钛矿带隙的增加，无法避免会牺牲器件的部分光电流。有鉴于此，UCLA杨阳课题组将少量二维钙钛矿(PEA₂PbI₄)掺入三维钙钛矿(FAPbI₃)前体溶液中，能够稳定纯相的三维FAPbI₃。二维钙钛矿钝化晶界增强薄膜稳定性，并抑制离子迁移提高效率。

LeeJ W, Dai Z, Han T H, et al. 2D perovskite stabilized phase-pure formamidinium perovskite solar cells[J]. Nature Communications, 2018.

DOI:10.1038/s41467-018-05454-4

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05454-4

4. 气相辅助原位掺杂碳纳米管用于钙钛矿太阳能电池丨Nano Lett.

杨阳教授团队介绍了一种简单且可扩展的方法，利用非原位气相辅助掺杂方法解决碳纳米管（CNT）导电性差的问题。三氟甲磺酸（TFMS）蒸汽掺杂CNT，调整了CNT电极的导电率和功函数。CNT薄层电阻降低了21.3％。在掺杂TFMS时，其功能从4.75 eV到4.96 eV。由于电阻降低，能级更好匹配和改善的吸光层，CNT电极基钙钛矿太阳能电池的效率为17.6％。此外，基于TFMS掺杂CNT的器件表现出更高的热稳定性和操作稳定性。

LeeJ-W, et al. Vapor-Assisted Ex-Situ Doping of Carbon Nanotube towards Efficientand Stable Perovskite Solar Cells[J]. Nano Letters, 2018.

DOI:10.1021/acs.nanolett.8b04190

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b04190

有机太阳能电池

基于有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳能电池，由于材料结构多样性、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点，具有无机太阳能电池技术所不具备的许多优良特性。2018年，UCLA杨阳教授课题组在有机太阳能电池领域做出了诸多贡献。

5. 11.52％的串联有机太阳能电池丨Joule

由于一些潜在的优势，例如灵活性，重量轻，可能的半透明性以及快速大面积制造和低能耗，有机光伏（OPV）在过去十年中引起了极大关注。为了实现更高性能的OPV，通过将两个或更多个子电池堆叠在一起来发明串联结构。在串联OPV中，可以提高光子利用效率并且可以降低热损耗。UCLA杨阳教授联合多家单位报道了通过在后子电池中使用混合的非富勒烯受体，来平衡串联OPV中的电压-电流损失的策略。通过该策略，串联OPV在实验室中表现出13.3％的最佳效率。由NREL进行了认证，串联器件的效率为11.52％。

Cheng P,et al. Efficient Tandem Organic Photovoltaics with Tunable Rear Sub-cells[J].Joule, 2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.011

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118305555

6. 高迁移率In₂O₃用于高效有机光伏器件丨Nano Lett.

2018年，杨阳课题组通过溶液处理的燃烧反应合成的高迁移率In₂O₃，用作有机光伏器件的电子传输层。研究团队在In₂O₃上引入乙氧基化聚乙烯亚胺(PEIE)修饰层，组装的电池在基于PBDTTT-EFT的富勒烯和非富勒烯体系中均优于其对应的ZnO电子传输层的体系。

HuangW, Zhu B, et al. High Mobility Indium Oxide Electron Transport Layer for Efficient Charge Extraction and Optimized Nano-Morphology in Organic Photovoltaics[J]. Nano Letters, 2018.

DOI:10.1021/acs.nanolett.8b02452

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02452

7. 高效串联三元非富勒烯有机太阳能电池丨Nano Lett.

2018年，杨阳授课题组开发出一种化学成分匹配串联太阳能电池。对于前子电池，选择热稳定性良好的三元混合PDBT-T1:TPH-Se:ITIC，TPH-Se的无定形特性可以充分抑制热处理过程中混合物的不利相分离，能够在制造高质量烧结中形成互连层；后子电池由PBDB-T:ITIC组成。基于三元组分混合的双结串联的效率达到11.5％。为了进一步增强光线在近红外区吸收，引入第三结PBDTTT-EFT：IEICO-4F。三结串联的电池效率为13.0％，开路电压高达2.52 V。

HuangW, et al. High Efficiency Non-fullerene Organic Tandem Photovoltaics Based onTernary Blend Subcells[J]. Nano Letters, 2018.

DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03950

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03950

量子点太阳能电池

8. 高效稳定的钙钛矿量子点太阳能电池丨Joule

钙钛矿胶体量子点（CQDs）是CQD光电子学中有希望的新星材料之一。通过长链有机配体稳定的CQDs，以防止其聚集。有效去除绝缘配体是促进CQD之间电耦合的先决条件。然而，钙钛矿CQD的离子键合特性使其极易受到用于表面处理的极性溶剂的影响，从而难以处理绝缘配体。UCLA杨阳团队提出了一种合理设计的后合成工艺，用于有效控制甲脒三碘化铅（FAPbI₃）CQDs上的配体密度。得到的FAPbI₃ CQD太阳能电池的效率可达8.38％，稳定性优于FAPbI₃器件。

Xue J, et al. Surface Ligand Management forStable FAPbI₃ Perovskite Quantum Dot Solar Cells[J]. Joule, 2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.07.018

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118303295

综述

9. 呼吁钙钛矿器件的稳定性标准化丨Nature Commun.

将光伏技术从实验室转化为商业产品时，低成本，高效率，高稳定性是必须考虑的三个关键指标。作为最有前景的高效光伏材料，有机-无机杂化钙钛矿（Perovskite）引起了基础研究的极大关注。十年间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破23.7%，然而，器件的稳定性是阻碍其商业化进程的最大阻碍。因其稳定性测试条件五花八门，所以很难理性地评判其商业化价值。杨阳联合游经碧课题组评述了钙钛矿的稳定性问题，并且呼吁PSCs的稳定性测试的标准化协议尽可能与硅太阳能电池工业标准匹配。