周聪华

2025-5-24：祝贺郭得恩（博士）、肖宇环（硕士）、刘思佳（硕士）、方振行（硕士）学位论文答辩顺利通过

       郭得恩同学的博士学位研究课题为：低温介孔碳基钙钛矿太阳电池，通过几年努力，将该类器件效率从13%提升至18%；肖宇环同学的硕士学位研究课题为钙钛矿生长与表面修饰；刘思佳同学的硕士学位研究课题为钙钛矿生长调控与反偏压稳定性；方振行同学的硕士学位研究课题为钙钛矿表面电子结构（联合培养）。几位同学的研究成果丰富，拓展了课题组的研究口径。

       感谢论文审稿人、答辩评委老师们的大力支持与热心指点！感谢几位同学的辛勤工作！祝各位同学前程似锦！

图1 周老师（居中）与郭得恩（左一）、肖宇环（左二）、刘思佳（右二）、方振行（右一）四位同学在答辩后合影

图2 肖宇环、刘思佳、方振行三位同学硕士学位论文答辩合影

图3 郭得恩同学博士学位论文答辩合影

2025-4-2：于晓涵同学在Small Methods发表论文，通过钙钛矿厚膜调控提高碳基钙钛矿太阳电池对长波段的光吸收

碳电极的弱反射率限制了碳电极钙钛矿太阳能电池的光吸收行为，尤其是长波长区域。为了解决这一问题，本研究通过调整前驱体溶液的浓度来调节钙钛矿的结晶。前驱体浓度提升显著改善了钙钛矿的结晶质量，薄膜厚度从350提升到850 nm。Urbach能从96.28降低至44.69 meV，标志着钙钛矿结晶质量的优化和缺陷的减少。EQE测试表明，钙钛矿在长波长范围内的光吸收显著增强，膜厚提高使得该区域内的积分电流密度提升15.6%。之后，通过延长PbI2的自旋时间进一步改善了钙钛矿的结晶，器件效率达到19.17%。

图1 钙钛矿膜厚与结晶优化过程示意图

图2 (a) Urbach带尾与钙钛矿结晶的关系示意图；(b) 钙钛矿厚膜的最优JV曲线。

论文链接如下：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smtd.202401645

论文得到国家自然科学基金（62374185）、湖南省教育厅重点科研项目（22A0005）、湖南省研究生科研创新项目（No. CX20230227 和 CX20230225）的资助。

2025-3-7：马姣同学在Journal of Energy Chemistry发表论文， 揭露2D前驱体分子诱导的钙钛矿二次生长行为

平面碳基钙钛矿太阳电池的效率已经达到了20%以上，其稳定性仍然受到制约。2D前驱体分子已被常用于改性钙钛矿薄膜，以减少表面缺陷。然而在界面处对于二维分子的改性仍然模糊，阻碍了改性策略应用的深入理解。基于此，马姣同学将具有不同链长的烷基铵盐掺杂到碳电极中，在“钙钛矿/碳电极”界面诱导“原位修复”效应，并研究了烷基铵盐与3D钙钛矿的反应动力学。结果表明，在“原位修复”过程中，通过离子交换，烷基铵盐促使3D钙钛矿二次结晶生长，导致3D钙钛矿的平均晶粒尺寸都会增加。此外还发现延长烷基链长，2D钙钛矿的产率逐渐增加，该现象与碳链的“空间位阻”效应有关。3D钙钛矿结晶度的提高和2D钙钛矿的形成有助于加速电荷提取、减少界面处的非辐射复合。通过优化钙钛矿厚度，将无空穴传输层的平面碳基钙钛矿太阳电池的效率提升至20.4%，同时实现了未封装器件在高湿度环境下（85%RH）的长期稳定性，以及超6400h的长期储存稳定性。

图1.“渗透-反应法”研究链长对“原位修复”策略的影响

图2.链长对未封装器件稳定性的影响：（1）在85%RH环境下（器件未封装）；（b）存储稳定性（器件未封装）

该工作得到国家自然科学基金（62374185）、省教育厅科学研究重点项目（22A0005）的资助。

2025-3-7： 方振行同学在Applied Physics Letters发表论文，揭露“辛基碘化胺（OAI）表面修饰过程中，碘/铅（氮/铅）原子比随深度变化的现象”

近年来，2D前驱体分子常被用于PVSK表面修饰，以降低表面缺陷态密度，但是表面修饰对材料电子结构的影响尚不清晰。鉴于此，本工作结合AFM、XPS以及KPFM等表面技术手段，对OAI修饰前后的PVSK表面的I/Pb（N/Pb）原子比进行深入研究。研究发现，OAI表面修饰可以降低PVSK薄膜表面粗糙度，增强PVSK与空穴传输层（HTL）的界面接触，改善载流子传输。变角度X射线光电子能谱（ARXPS）测试表明，随着OAI作用深度的变化，I^-与OA⁺可能有着不同的扩散行为，相比OA+，I-能够进入到更深的PVSK内部，钝化未饱和配位Pb（Ⅱ）原子带来的缺陷，改善Pb（Ⅱ）配位；I/Pb比值从本征PVSK的2.08提升至20 mM修饰时的2.72，有利于改善Pb（Ⅱ）配位，减少载流子复合，提升PSCs的性能。KPFM研究发现， OAI修饰后PVSK的功函数增加了约0.3 eV，为载流子提取提供更强驱动力，使V_bi从1.00V增加至1.05V，最终将效率从20.47%提升至24.00%，提升了约20%。该研究进一步揭露了2D前驱体分子与3DPVSK之间的作用机制。

图1 （a）ARXPS测试示意图，（b）PVSK薄膜中的I、Pb元素比例，（c）20 mM OAI修饰时PVSM薄膜的I、N2、Pb元素比例，（d）OAI修饰前后PVSK薄膜的I/Pb比值以及N2/Pb比值，（e）OAI在PVSK表面修饰作用示意图

 

论文链接如下：

https://doi.org/10.1063/5.0246864

论文指导老师：谢海鹏副教授、周聪华教授。论文得到国家自然科学基金（62374185、51802355）、湖南省自然科学基金（2018JJ3625）、省教育厅科学研究重点项目（22A0005）、湖南省研究生科研创新项目（CX2023ZZTS0701）的资助。

2025-1-30：郭得恩同学在Journal of Materials Chemistry C发表论文，通过打破限域效应，提高钙钛矿活性层在介孔碳基骨架中的生长质量，以提升低温全空气meso CPSCs器件效率与稳定性

  介孔骨架给钙钛矿活性层（PVSK）的结晶生长带来限域效应，从而限制无空穴导体、碳基介观钙钛矿太阳能电池 (meso-CPSC) 的功率转换效率 (PCE)。本工作采用微米级炭黑球颗粒(CBS) 打破该限制。这些 CBS 有助于将 碳电极（CE）中的介孔从 <10 扩大到 ~70 nm，由此打破对钙钛矿生长的限域效应。随着炭黑质量从 0.0625 增加到 0.5 g，PVSK 的平均晶粒尺寸从 30.9 增加到 58.2 nm，同时PVSK埋底界面处的接触得到改善。受益于此，器件的电荷提取速率增加，复合减缓，低温（150 ℃）全空气制备的介观 CPSC 的 PCE 从 4.89 (1.22)% 增加到 11.33 (0.28)%，通过使用更厚的碳电极，PCE进一步提高到 16.28%。相对于 2020 年首次报告的效率，该效率提高了 30% 以上，与使用 (5-AVA)x(MA)1-xPbI3 作为光活性层的高温（450 ℃）介观 CPSC相当。对器件准最大功率点进行跟踪测试，获得了~690 h的T80 时间（PCE 衰减至初始值80%所需的时间）。这项研究为低温全空气条件下制造高效介观 CPSC 奠定了基础。

图1. 低温全空气制备meso-CPSC器件的冠军效率J-V曲线及CBS制备示意图

图2 Q-MPPT稳定性测试（LED白光）

论文链接如下：

https://doi.org/10.1039/D4TC04780J

该工作得到国家自然科学基金（62374185）、省教育厅科学研究重点项目（22A0005）、湖南省研究生科研创新项目（CX20230225、 CX20230227）的资助。

2024-10-21：祝贺课题组在期刊Journal of Physics D：Applied Physics上应邀发表Topical Review论文：Solution-processed lead halide perovskite films for application in perovskite solar cells: from coating methods to growth dynamics

应编辑部邀请，课题组最近在Journal of Physics D：Applied Physics撰写发表Topical Review论文，回顾钙钛矿薄膜生长技术与生长动力学。经过15年的发展，钙钛矿太阳能电池已经达到了>26%的认证效率，为绿色能源提供了最可靠的解决方案之一。这一进展应归功于钙钛矿薄膜优异的光电性能，如优良的载流子抽取能力和长载流子扩散长度。基本上，这些性能取决于结晶质量。近年来，人们开发了许多方法来生长均匀且结晶良好的钙钛矿薄膜，如一步和两步溶液法，以及蒸发法。这些方法有助于生长面积从几平方厘米到数百平方厘米不等的薄膜。对钙钛矿生长动力学的调控一直是领域内的研究重点。本文简要回顾了旋涂、刮涂等钙钛矿薄膜制备工艺及其中的结晶动力学，对组分工程、溶剂工程和添加剂工程等策略进行了简要介绍和讨论。最后提出展望，以供参考。

图1 不同制备钙钛矿薄膜方法的示意图:(a) 一步、两步溶液旋涂法；(b)蒸发法；(c)刀片刮涂法；(d)狭缝涂布法；(e)喷墨打印法

 

论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad82f7

论文一作：肖宇环同学，指导老师：周聪华教授。

论文得到国家自然科学基金（62374185）、湖南省教育厅重点科研项目（22A0005）、中南大学基础研究基金(2024ZZTS0735) 的资助。

2024-6-18：祝贺林思远、肖宇环同学关于“PEAI在平面碳基钙钛矿太阳能电池中诱导的‘原位修复’作用”的论文在Applied Physics Letters发表

无空穴导体碳电极钙钛矿太阳能电池（CPSCs）由于优异的稳定性和低的制备成本，具有极大的商业应用潜力。但是由于“钙钛矿/碳电极”界面接触不完全、缺陷富集、能级失配等问题限制了CPSCs性能的提升。针对该问题，课题组前期将二维钙钛矿前驱体分子OAI加入到碳浆中，发现OAI分子可以诱导 “原位修复”作用，从而钝化“钙钛矿/碳电极”界面缺陷。在本工作中，我们将PEAI分子替代OAI加入到碳浆中，发现PEAI在钙钛矿/碳电极”界面处与3D 钙钛矿反应生成2D 钙钛矿相，增强了钙钛矿与碳电极的界面接触，并钝化钙钛矿表面缺陷。该策略也可提升CPSCs的光电转换效率；同时，未封装的CPSCs在相对湿度为85%的大气环境中，稳定性得到增强。该工作在一定程度上验证了“原位修复”策略的普适性，值得进一步推广。

图1 PEAI分子与PVSK基质之间可能反应的示意图

图2 （a）是否掺杂PEAI碳浆制备的器件JV曲线以及（b）EQE图。

该工作主要由林思远、肖宇环两位同学共同完成。

论文链接如下：

https://doi.org/10.1063/5.0213327

论文得到国家自然科学基金（62374185）、湖南省教育厅重点科研项目（22A0005）、中南大学基础研究基金(2024ZZTS0735) 的资助。

2024-2-23: 祝贺马姣同学关于“基于辛基碘化铵的钙钛矿/碳电极界面原位修复：炭黑吸附引起的‘缓释效应’”的论文在Small发表

因“钙钛矿/碳电极”界面物理接触松散、缺陷聚集、能级失配等问题，该界面已成为制约碳基无空穴导体钙钛矿太阳电池效率提升的关键瓶颈。前期研究表明，在碳浆中掺入辛基碘化铵（OAI）可诱导“原位修复”效应。该研究进一步研究纳米炭黑颗粒对该效应的影响规律。发现“炭黑吸附作用”存在显著影响。通过适当调整OAI/炭黑质量比，增加钙钛矿光吸收，无空穴导体CPSCs的光电转换效率可提到至19.41%。同时在炭黑含量较高的器件中观察到效率缓慢上升现象，表明“炭黑吸附作用”很可能诱导产生了一种“缓释效应”，即通过缓慢释放OAI分子，实现缓慢修饰功能。该研究对于进一步理解“原位修复”策略具有重要的科学意义。

图1 炭黑吸附下OAI分子的“原位修复”过程示意图

图2 (a) 不同质量炭黑下器件的JV曲线；(b) 不同质量炭黑下器件效率统计图；(c) 钙钛矿厚膜的最优JV曲线。

论文得到国家自然科学基金（62374185）、湖南省教育厅重点科研项目（22A0005）、湖南省研究生科研创新项目（No. CX20230227 和 CX20230225）的资助。论文链接如下：https://doi.org/10.1002/smll.202310196

2024-2-15: 祝贺郭得恩同学“亲水性分子改善'钙钛矿/电子传输层'之间界面接触，以实现效率>14%的低温介孔碳基无空穴导体钙钛矿太阳能电池”的论文在Solar RRL发表

介孔碳基无空穴导体钙钛矿太阳能电池（meso-CPSC）制备成本低，稳定性高，有利于商业化进程。“钙钛矿/电子传输层”（PVSK/ETL）之间的界面接触是制约器件效率的瓶颈，该瓶颈作用在低温介孔器件中的表现更为显著。针对问题，郭得恩同学将亲水性分子羟丙基-β-环糊精（HPβCD）引入到介孔TiO₂ ETL中。研究发现，这种亲水性分子的引入提高了TiO₂ ETL的浸润性，增强了PVSK在介孔骨架中的结晶与填充过程，并增强“PVSK/ETL”之间的界面接触。此外，HPβCD中羟基基团与TiO₂和PVSK之间的相互作用减少了TiO₂中的氧空位缺陷，钝化未饱和铅原子引入的悬挂键。上述作用加速了电荷提取，抑制载流子复合。以上作用将低温meso-CPSC器件的光电转换效率从 9.38 (±1.28)% 提高到 11.42 (±0.80)%（优化为 12.44%）。 使用碘化辛铵（OAI）对碳电极进行修饰后，效率进一步提升至14.04%。 该效率达到了高温介孔CPSCs（在450℃下制备）的85%【使用(5-AVA)x(MA)1-xPbI3作为光活性层材料时】，为进一步提高低温介孔CPSC的效率提供有益借鉴。                                   

           

图1 羟丙基-β-环糊精（HPβCD）修饰介孔TiO2 ETL作用示意图。

图2 （a）OAI优化的最高效率JV曲线，（b）最大功率点持续输出曲线。（c）低温介孔碳基器件与高温器件效率发展对比。

该工作得到国家自然科学基金（62374185）、省教育厅科学研究重点项目（22A0005）、湖南省研究生科研创新项目（CX20230225、 CX20230227）的资助。论文链接如下：https://doi.org/10.1002/solr.202400021

2024-2-12: 祝贺肖宇环同学关于“1,6 -己二胺碘分子改善“Spiro-OMeTAD/钙钛矿”界面接触，加速载流子传输过程”的论文在Applied Physics Letters发表

作为一种著名的空穴传输材料，Spiro-OMeTAD在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中得到了广泛的应用。然而，Spiro-OMeTAD/CB溶液在钙钛矿(PVSK)上的润湿性较差，影响“Spiro-OMeTAD / PVSK”的界面接触。为改善这种情况，肖宇环同学采用亲水性分子1,6 -己二胺碘(HDADI)处理PVSK表面。发现表面处理可以诱导产生2D钙钛矿相，适度的表面处理可以改善Spiro-OMeTAD溶液在PVSK上的润湿性，及其与PVSK之间的界面接触，钝化缺陷。最终，光电转换测试表明，表面处理后，器件光电转换效率由20.25(±0.85)%提高到22.28(±0.53)%；同时，器件稳定性也得到提高。该研究为增强“Spiro-OMeTAD / PVSK ”界面接触提供了一种有效的策略。

图1 HDADI分子与PVSK之间可能的反应示意图

图2 （a）不同浓度HDADI修饰后器件的JV曲线；（b）不同浓度HDADI修饰后器件效率统计图。

该工作得到国家自然科学基金（62374185）、湖南省教育厅重点科研项目（22A0005）的资助。论文链接如下：http://doi.org/10.1063/5.0188717

2024-1-30: 祝贺喻禧同学荣获“汇顶奖学金”

2021级硕士研究生喻 禧同学获得2023年汇顶奖学金（二等）。这是近5年来课题组同学第三次获得该项奖励。喻禧同学学习成绩优异、科研成果突出。该同学的研究课题为钙钛矿薄膜生长动力学调控。发现PVP分子诱导的“限域作用”可以抑制PbI2结晶，降低胺盐与PbI2的反应势垒，从而提高钙钛矿薄膜的平整度、结晶度与热稳定性。该方法对于提升钙钛矿太阳电池的光电转换效率与稳定性具有良好的借鉴价值。目前，喻禧同学已在国际知名期刊Small上发表论文1篇，在写论文1篇。

2023-12-28：祝贺林思远同学顺利通过博士学位论文答辩

  林思远同学于2019年进入中南大学物理学院攻读博士学位，在钙钛矿太阳电池领域开展了相关研究。创新提出“缓释效应”调控两步法钙钛矿薄膜的生长过程，提出“原位修复”方法修饰“钙钛矿/碳电极”界面，为后续研究奠定了坚实基础。目前已发表SCI论文5篇（在写2篇），申请发明专利2项，完成湖南省创新项目一项。顺利通过博士学位论文答辩。

2023-9-28: 祝贺喻禧同学采用PVP掺杂在PbI2中诱导“缓释作用”以提升钙钛矿薄膜结晶度与热稳定性的的论文在Small发表

钙钛矿太阳能电池（PSCs）光电转换效率高、制备成本低，具有极大的商业应用潜力。但是钙钛矿材料稳定性差，限制了PSCs的性能提升，成为应用瓶颈之一。鉴于此，该工作在课题组之前工作的基础上，通过调控PVP在PbI₂中的掺杂浓度来调节两步法中钙钛矿薄膜的生长动力学过程。研究发现，PVP分子中的羰基（C=O）能与PbI₂相互作用，该作用抑制了PbI₂的结晶过程，形成疏松的PbI₂薄膜，从而降低了PbI₂与有机离子盐之间的扩散/反应势垒，进而提高了钙钛矿的结晶度，并提高了钙钛矿太阳电池光电转换性能；另外，PVP分子也会抑制钙钛矿薄膜中的碘离子迁移，使得钙钛矿薄膜的热稳定性得到提升。基于以上作用，将PSCs的光电转换效率提升到了22.05%，在OAI的修饰作用下，光电转换效率进一步提升至24.48%。该工作为解决“钙钛矿热稳定性”瓶颈问题提供一种可行思路，同时，进一步拓展了PVP诱导的“限域作用”在高质量钙钛矿生长中的应用前景。

                    

图1 PVP在PbI₂中诱导产生的“缓释作用”对提升钙钛矿结晶度与平整度的作用示意图

图2 PVP诱导产生的“缓释作用”对提升钙钛矿热稳定性的效果图，与降低离子电流、抑制离子移动的作用示意图。

论文链接如下：https://doi.org/10.1002/smll.202306101。论文得到国家自然科学基金（61774170）、湖南省自然科学基金（2020JJ4759）、以及省教育厅科学研究重点项目（22A0005）的资助。

2023-9-23: 祝贺林思远同学采用“钙钛矿/碳电极”界面原位修复策略提升平面碳基钙钛矿太阳电池性能的论文在Small Methods发表

无空穴导体（Hole-conductor-free）碳电极钙钛矿太阳能电池（CPSCs）稳定性高、制备成本低，具有极大的商业应用潜力。但是“钙钛矿/碳电极”界面接触松散、缺陷富集、能级失配等问题限制器件性能的提升。“钙钛矿/碳电极”界面成为遏制器件效率提升的关键瓶颈。鉴于此，该研究工作提出一种“原位修复策略”（in-situ healing），即将二维分子OAI加入到碳浆中，通过OAI分子的渗透与反应功能对“钙钛矿/碳电极”界面进行原位修复。研究发现，OAI分子中的亲水端（-NH3+）能与碳材料进行相互作用，从而钝化碳电极的缺陷，并提高了碳电极疏水性；另外，OAI在钙钛矿/碳电极”界面处与3D 钙钛矿反应生成2D 钙钛矿相，增强了钙钛矿与碳电极的界面接触，并钝化了钙钛矿表面缺陷。基于以上作用，将CPSCs的光电转换效率提升到了19.42%，这是该类器件结构近期报道的最高效率之一；同时，未封装的CPSCs在相对湿度为85%的大气环境中，稳定性得到了极大增强，结果显示在85%RH的大气环境中老化474h后，器件还能维持原始状态的80%。该工作为解决“钙钛矿/碳电极”界面瓶颈问题提供一种可行的思路，对推进CPSCs商业化应用进程具有良好的应用潜力。                                   

     图1 （a）优化的最高效率JV曲线，（b）最大功率点持续输出曲线。

图2 （a）无封装器件在85%湿度条件下的稳定性表现，（b）原位修复作用示意图。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202300716

论文得到国家自然科学基金（61774170）、湖南省自然科学基金（2020JJ4759）、湖南省教育厅科学研究项目（重点项目22A0005）的资助。

2023-6-28: 祝贺郭得恩、于晓涵获批湖南省研究生科研创新项目（省级一般项目）

      郭得恩同学的研究主题为“低温介孔碳基钙钛矿太阳电池”；于晓涵同学的研究主题为“低温平面碳基钙钛矿太阳电池”。感谢各位专家的认可与鼓励。希望两位同学在“双碳钙钛矿”领域积极探索，做出成绩。

2023-3-18: 吴书越同学采用“限域作用”提高钙钛矿薄膜均一性与热稳定性的论文在Small发表

在两步法钙钛矿生长过程中，将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）同时加入PbI2和有机离子盐。发现PVP分子能够同时与PbI2及有机离子盐相互作用，降低反应物聚集和结晶度，从而延缓钙钛矿的生长速率。研究发现，当有机离子盐中PVP的加入量从0增加到1mM时，钙钛矿平均晶粒尺寸从90nm急剧下降到30nm；钙钛矿薄膜表面起幅度先从259.9nm降低到179.8nm（0.2mM），然后随着PVP浓度的升高而升高；同样的，钙钛矿薄膜表面粗糙度（RMS）先从45.5nm下降到26.64nm（0.2mM），然后升高。据此， PVP的加入会引入“限域效应”，对钙钛矿晶粒生长和薄膜粗糙度产生影响，有利于制备致密平整的钙钛矿薄膜。得益于该效应，器件缺陷态密度（t-DOS）降低60%。器件效率从19.46%（±2.8%）提升到21.5%（±0.99%），使用表面修饰优化后器件效率可以达到24.11%。研究进一步发现，聚合物诱导的“限域效应”可以强化晶界，从而提高薄膜和器件的热稳定性。与对照组器件相比，T80从50h增加到120h。这为提高钙钛矿太阳电池热稳定性提出供了一种新思路。相关图片如下：

图1：聚合物加入能够同时与PbI₂、有机离子盐发生相互作用，从而延缓反应速度，促进钙钛矿生长。

图2：聚合物PVP的引入略微降低钙钛矿晶粒尺寸，但是显著增大晶畴尺寸，改善钙钛矿薄膜表面平整度。

图3：聚合物引入的“限域效应”示意图：薄膜平整度提高

该工作得到中南大学周科朝教授、张斗教授、黄寒教授、周学凡博士，华中科技大学韩宏伟教授、胡玥教授的大力支持，以及国家自然科学基金(61774170、22075094)、湖南省教育厅重点科研项目基金(22A0005)的资助，在此一并感谢。论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207848

2023-03-02：林思远同学应用 “缓释效应”调控钙钛矿生长动力学的论文在Small Methods发表

  有机盐与碘化铅的快速反应往往导致钙钛矿晶粒小，缺陷多。这篇文章以新的视角，在两步法中通过聚丙烯酸与有机盐混合的策略调节钙钛矿薄膜的结晶行为。研究发现，聚丙烯酸的加入延缓了有机盐的聚集结晶行为，降低了有机盐与PbI2的反应速率，由此定义了“缓释效应”。这种作用促进了钙钛矿的结晶质量。x射线衍射研究表明，加入2 mM聚丙烯酸后，钙钛矿的平均晶粒尺寸从≈40 nm增大到≈90 nm。热导纳研究表明，缺陷态密度降低了近一个量级(特别是在深能级)。时间分辨光致发光和瞬态光电压衰减曲线测试结果表明，钙钛矿薄膜和器件中的载流子寿命延长；并且由于结晶度的提高和缺陷态密度降低，电荷复合明显降低。因此，器件的功率转换效率由19.96(±0.41)%提高到21.84(±0.25)%，其中冠军效率为22.31%，经碘化辛胺表面改性后进一步提高到24.19%。这为进一步促进钙钛矿薄膜的生长质量提供了一种别出心裁的思路。

                                               

图1：聚合物诱导的“缓释效应”典型效果：延缓反应速度。

图2：聚合物诱导的“缓释效应”示意图。

    该工作得到高永立教授、周科朝教授、张斗教授、黄寒教授、胡玥教授、周学凡博士的大力支持，以及国家自然科学基金（61774170）资助，在此一并感谢。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202201663

2022-11-25: 荣青同学有关“非均匀结晶行为”对低温介孔碳基钙钛矿太阳电池器件性能影响的研究论文在Journal of Applied Physics发表【Featured Article】【封面论文/20221201】

介孔碳基钙钛矿太阳电池可全程在空气中制备，具有稳定性高、成本低的优点。但其内部的介孔结构与界面环境较为复杂，对钙钛矿晶粒的生长带来诸多复杂因素。为此，理解钙钛矿晶粒在受限空间中的形核、生长过程成为提升器件效率与稳定性的重要问题。荣青同学的研究发现，钙钛矿前驱体在低温介孔碳基骨架中干燥结晶时，存在“非均匀结晶行为”。该行为对器件光电转换性能产生显著影响。

该研究所用的器件架构为“FTO/介孔ZrO₂@SnO₂/介孔ZrO₂/介孔碳电极”，其中钙钛矿填充在整个介孔骨架中间，形成低温介孔碳基钙钛矿太阳电池；介孔ZrO₂@SnO₂作为电子传输层，介孔ZrO₂作为绝缘层。研究发现，一方面，当顶部碳电极较薄时（前驱体体积固定为45μL），钙钛矿晶粒在骨架厚度方向的分布不均匀。如图1中的扫描电子显微镜照片与元素分布图所示，当碳电极为5μm时，钙钛矿晶粒主要分布在碳电极的内部与表面，而在中间介孔ZrO₂与底部电子传输层（ZrO₂@SnO₂）中分布较少。而当碳电极厚度提高后（如厚度10μm时），钙钛矿晶粒分布却能深入到介孔ZrO₂与电子传输层（ZrO₂ @SnO₂）中，且碳电极顶部的残留大幅度减少。因此，碳电极厚度较薄时反而出现“非均匀结晶现象”。另一方面，当钙钛矿前驱体体积较大时（碳电极厚度约为5μm），也存在类似的现象。如图2所示，当前驱体体积为40μL时，钙钛矿晶粒主要分布在碳电极内部与表面，在底部分布较少。而当前驱体体积减小至20μL时，钙钛矿晶粒反而能够往底部的介孔ZrO₂与电子传输层（ZrO₂ @SnO₂）中渗透。

图1（原文图2）.由不同厚度碳电极制备的低温介孔钙钛矿太阳能电池(meso CPSCs) 的扫描电子显微镜（SEM）图像及元素分布图(EDS)（μm）：(b)/(g) 5， (c)/(h) 10， (d)/(i) 13， (e)/(j) 17。(a)/(f)为钙钛矿结晶前的骨架。截面SEM中的插图为对应器件的光学照片，右侧为对应的元素分布图(EDS)。

 

这种“非均匀结晶行为”看起来与常识相违背，比如，较多的前驱体应该更能够确保充分填充。但是该实验结果却相反。仔细考察之后，作者将这种行为归因于蒸发诱导作用。如图2（d）所示，当前驱体加入量相对较大时，前驱体容易在碳膜表面残留。表面溶剂快速蒸发，使钙钛矿在表面优先成核。由于奥斯特熟化（Ostwald ripening）效应，这些晶核优先生长，反而会吸收介孔骨架底部前驱体中的溶质离子，由此出现“反吸”行为，并造成“顶部多、底部少”这一反常现象。这种行为带来的另一个结果是：骨架表面的晶粒尺寸大，底部的晶粒尺寸小。这一点在XRD衍射实验中得到证实。如图2（c）所示，将表面的晶粒去除后，由谢乐公式计算的平均晶粒尺寸显著降低（降低约10nm）。

图2（原文图4）. (a)由不同膜厚的碳电极构建低温器件的XRD图。(b) 钙钛矿(110)晶面的半高缝宽值(2θ-FWHM)。(c)钙钛矿平均晶粒尺寸。(d) 蒸发诱导“非均匀结晶行为”的示意图。

非均匀结晶行为对器件电荷传输与复合动力学以及器件光电转换性能产生直接影响。论文采用瞬态光电压/光电流衰减曲线（TPV / TPC）、阻抗谱（IS）和伏安特性扫描（IV）对器件进行测试。如图3所示，碳膜厚度为5μm时，器件光电转换效率低且具IV曲线出现明显的“S型”；碳膜厚度为10μm时，器件光电转换效率明显提升，这显然得益于“非均匀结晶问题”的缓解与改善。钙钛矿在“FTO/介孔ZrO2@SnO2/介孔ZrO2/介孔碳电极”介孔骨架整体中的均匀填充与结晶有助于器件光电性能的提升。

 

图3（原图6）.(a)低温器件的典型电流密度-电压(JV)曲线(反扫，测试条件为AM 1.5G, 100 mW/cm2，测试面积为0.0514 cm2)。性能参数统计(反向扫描): (b) Voc, (c) Jsc, (e) FF，(f) PCE。(d)为器件滞回指数（hysteresis index）统计。

综上所述，“非均匀结晶行为”严重影响器件光电转换性能，对其发生机理的深入剖析与控制、以至于根除，对高效率低温介孔碳基钙钛矿太阳电池的制备至关重要，值得进一步展开深入研究。该论文在Journal of Applied Physics期刊2022年第132期封面发表[J. Appl. Phys. 132, 205303 (2022) (https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0120065) ]，并入选Featured Article。该工作由中南大学物理与电子学院2020级硕士研究生荣青同学完成，得到国家自然科学基金（61774170）和中南大学研究生自主创新项目（No. 2022ZZTS0675）资助。

2022-10-20: 石志强同学“采用镀镍银纳米线透明电极制备高效率钙钛矿太阳电池的论文”在Applied Surface Science发表

银纳米线透明电极作为新一代透明电极中的佼佼者，具备优异的透光性和导电性，并且制作流程简单，价格低廉。近些年来，将银纳米线透明电极用作底电极，制备出高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池逐渐成为该类器件的研究重点。然而，银作为一种较活泼的金属，极容易与钙钛矿发生反应，导致制备的电池器件效率较低，甚至短路。本文采用镍电镀的方法增强银纳米线的抗腐蚀能力和导电能力，通过氧化锡量子点溶液降低透明电极表面的粗糙度，再溅射一层薄的ITO进一步优化透明电极的导电性和对基底的附着力，制备出光电性能和抗腐蚀能力优异的银纳米线复合透明电极。图1之图4分别给出复合电极制备图、Ni电镀后银纳米线的高分辨TEM图片、银纳米线透明电极的耐UV/Ozone氧化与抗MAI腐蚀效果对比图、以及器件效率图。可以发现，镍电镀可以大幅度提高银纳米线电极的抗氧化腐蚀能力。将该电极运用到平面钙钛矿太阳能电池中，制备出器件的光电转换效率可达18.37%（AM1.5G ,100mW/cm2)，同时具有良好的稳定性。该研究为银纳米线透明电极在光电器件中的应用奠定了基础。

图1. 银纳米线复合透明电极制备示意图。（a） 银纳米线透明电极；（b） 步骤1：电镀镍；（c） 步骤2: SnO2旋涂；（d） 步骤3：ITO溅射；（e） 银纳米线复合透明电极。银纳米线透明电极的扫描电子显微镜图像：电镀镍前（f），电镀镍后（g）。电镀后的元素分析显示在（e）顶部，而（f）和（g）中的红色直方图显示的是电镀前后银纳米线的直径变化。

图2：电镀后银纳米线透明电极的TEM图和对应元素分布。（ｂ）镍，（ｃ）银，（ｄ）电镀后银纳米线的HRTEM图，放大后的区域：（ｅ）镍，（ｆ）银。

 

 

图3：银纳米线透明电极的耐UV/Ozone氧化与抗MAI腐蚀效果对比。(a) UVUV/Ozone氧化； （d）MAI腐蚀； (b)(c)Ni电镀前后的UV/Ozone对比；(e)(f) Ni电镀前后的MAI腐蚀对比

图4：典型电流密度-电压（JV）曲线（“RS/FS”分别表示反向/正向扫描）。(d） 在商用FTO、“AgNW/Ni/SnO2/ITO/SnO2”和“S-ITO”基底上制备的器件的单色光外量子转换效率和积分电流密度。性能参数统计：（b）PCE、（c）VOC、（e）JSC和（f）FF。所有这些参数都是从反向JV扫描中选取的。

   以上研究表明，经过镍电镀处理，银纳米线透明电极可以用于含强腐蚀性材料的钙钛矿太阳电池制备。相关技术已经申请发明专利1项，研究结果已经发表（Applied Surface Science 609，155250，2023）。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155250

致谢：国家自然科学基金（61774170）、湖南省自然科学基金（2020JJ4759）

2022-6-29:郭得恩同学“采用ZrO₂@ SnO₂ 作为低温介孔碳基钙钛矿太阳电池meso-ETL”的论文在APL发表

介孔碳基钙钛矿太阳电池可全程在空气中制备，具有稳定性高、成本低的优点。降低器件制备温度，提升其光电转换性能成为该类器件的研究重点。通常，介孔碳基钙钛矿太阳电池采用TiO₂作为介孔电子传输层（meso-ETL）。为提高其电导率，通常需要在高温(450℃)下进行烧结处理。为制备低温介孔器件，需要开发一种低温兼容的meso-ETL。本文采用SnO₂ 修饰介孔 ZrO₂ 的方法，制备“ZrO₂@ SnO₂”结构的meso-ETL，替代TiO₂，并在150度低温下制备出全低温介孔碳基钙钛矿太阳电池器件。研究发现，“ZrO₂@ SnO₂”具有良好的电导率。PL mapping、TRPL、TPC/TPV 和 IS 等研究表明，该层材料的使用促进了电荷传输，抑制了电荷复合，所制备的器件具有与TiO₂-ETL基低温介孔器件相当的光电转换效率，且在开路电压方面具有优势，优化器件光电转换效率可达13.37%（AM1.5G ,100mW/cm²) ，同时器件具有良好的稳定性。该研究为进一步开发低温介孔碳基太阳电池奠定了基础。

图1 (a)低温介孔碳基钙钛矿太阳电池的制备过程示意图。(b)器件横截面SEM图像。(c)介孔ZrO₂(0-layer)和介孔ZrO₂@SnO₂(1-layer)薄层的X射线光电子能谱。(d) 介孔ZrO₂(0-layer)和介孔ZrO2@SnO₂(1-layer)的紫外光电子能谱对比（SnO2修饰可以降低ZrO2功函）。(e) SnO₂修饰介孔ZrO₂的电流-电压曲线。

图2 SnO₂修饰层数对低温介孔碳基钙钛矿太阳电池光电转换效率的影响因素。(a)典型IV曲线；(b)Voc;(c)Jsc;(e)FF;(f)PCE.(d)为最优器件对比。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0087943

致谢：国家自然科学基金（61774170）、省自然科学基金（2020JJ4759）

2022-6-21: 刘珊同学“采用油胺掺杂spiro-OMeTAD空穴传输层以改善钙钛矿太阳电池耐湿性和界面复合的”论文在APL发表

含有胺基 (-NH₂) 的分子，一种分子，如油胺 (OA)、己胺 (HA)、十二烷基胺氢碘化物 (DAHI) 和双烷基胺 (BAA)，已被使用对钙钛矿薄膜中的缺陷进行钝化。由于这些分子所具有的疏水性，通常可以提高器件的耐湿性。在这些分子中，OA 的碳链最长、分子量最高，有助于成膜性提高。本论文采用OA 分子对spiro-OMeTAD 基空穴传输层（HTL）进行掺杂处理。研究发现，OA掺杂改善了spiro-OMeTAD基HTL薄膜的连续性，进一步提高了HTL的憎水性。XPS研究表明，OA分子与钙钛矿晶粒之间存在相互作用；掠入射PL研究表明，OA修饰可以使钙钛矿PL峰出现蓝移，表明缺陷态得到钝化。该钝化作用得益于OA分子与钙钛矿晶粒之间的相互作用。TPC/TPV 和 IS 等研究表明，OA掺杂促进了电荷传输，抑制了电荷复合，从而提升器件性能。

图1 (a) 由 PMMA 或 OA 改性的钙钛矿薄膜的 X 射线光电子能谱 (XPS)。 (b) 缺陷钝化后的 PL 示意图。 (c) PMMA/OA 在钙钛矿上的钝化行为示意图。

    器件分别在50%、60%、70%、80%和85%的相对湿度下处理装置1h,可以发现随着OA掺杂量的增加，器件的耐湿性越强。经过5h连续湿度处理后，可以发现未掺杂OA的器件失效率为85.7%，而OA掺杂量为80μL时，失效率仅为28.6%。该研究表明，开发具有良好电荷抽取功能、致密、憎水性高的HTL对于提升器件效率与稳定性具有重要意义。

    

                                                     

图2 高湿度加速老化实验

                                                       

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0092110。

致谢：国家自然科学基金（61774170）、省自然科学基金（2020JJ4759）、中南大学研究生创新基金（No. 2021zzts0502)的资助。

2022-3-10: 林思远同学采用辣椒素分子钝化“钙钛矿/SnO2”界面的论文在APL发表

SnO₂作为电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中被广泛应用，但由于SnO₂与钙钛矿界面大量缺陷的存在，限制了器件性能的进一步提升。本文将生活中的常见材料——辣椒素分子，通过共混的方式掺杂到SnO₂量子点体系中，利用其羰基（-C=O）特性钝化界面氧空位缺陷，其憎水性特征辅助生长高质量钙钛矿薄膜。

                                             

图1 辣椒素在SnO2/PVSK界面作用及示意图

研究发现，添加辣椒素分子有助于获得更高效率的平面结构钙钛矿器件。这种分子掺杂改性策略具有两个方面的优点：1）分子中的羰基（-C=O）能钝化SnO₂中的氧空位缺陷，并且能够与Pb²⁺形成配位，从而抑制界面复合加速界面载流子抽取；2）辣椒素的掺入，使SnO₂衬底更平整，疏水性衬底有助于减少顶层钙钛矿的成核数目，而促进高质量钙钛矿的生长，同时能抑制水汽的扩散，从而延长了器件的储存稳定性。经过优化，初步获得了22.24%的器件光电转换效率，无封装器件在湿度为30±5%的大气环境中储存1000h后，能维持90%的原始效率。论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0082785。

     致谢：该工作得到国家自然科学基金（61774170）、湖南省自然科学基金（2020JJ4759）、中南大学研究生创新基金（2020zzts045）的资助。

2022-1-1：祝贺夏莆飞鸿同学获汇顶奖学金-特等奖

   2019级硕士生夏莆飞鸿同学获得2021年汇顶奖学金-特等奖学金（全校两人）。夏莆飞鸿同学专业学习成绩、科研成果优异。研究课题为钙钛矿太阳能电池，作为一种新型的薄膜太阳能电池具有：光电转换效率高、制备工艺简单的特点。目前高效率钙钛矿太阳能电池多采用spiro-OMeTAD作为空穴传输层。但spiro-OMeTAD本身成膜性不好，给器件的性能和稳定性带来了挑战。夏莆飞鸿同学关于“PMMA掺杂同时提高 Spiro-OMeTAD 基钙钛矿太阳能电池效率和稳定性”的论文在Solar RRL 发表（工程ESI, Q1，具体参加下一条新闻稿）。论文讨论了将一种长链聚合物——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）通过共混的方式掺杂到spiro-OMeTAD体系中，利用其长链特性改善Spiro-OMeTAD的成膜过程。添加的长链疏水性PMMA聚合物有助于获得均匀、连续、致密的spiro-OMeTAD薄膜。结果表明这种聚合物掺杂改性策略具有两个方面的优点：1） 改善spiro-OMeTAD的导电性和及其与钙钛矿活性层之间的界面接触，从而加速界面电荷抽取过程；2）“H₂0/O₂/Ag”的渗透扩散作用被抑制，从而延长了器件稳定性，同时抑制了复合。经过优化，初步获得21.78%的器件光电转换效率，无封装在湿度为30±5%的大气环境中储存稳定性达100天的钙钛矿太阳能电池。

2021-9-23: 祝贺夏莆飞鸿同学 “PMMA掺杂同时提高 Spiro-OMeTAD 基钙钛矿太阳能电池效率和稳定性”的论文在《Solar RRL》发表

Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中被广泛应用。但spiro-OMeTAD本身成膜性不好，给器件的性能和稳定性带来了挑战。本文将一种长链聚合物——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）通过共混的方式掺杂到spiro-OMeTAD体系中，利用其长链特性改善Spiro-OMeTAD的成膜过程。

图1 PMMA掺杂对spiro-OMeTAD薄膜形成和器件性能影响的示意图。

研究发现，添加长链疏水性PMMA聚合物有助于获得均匀、连续、致密的spiro-OMeTAD薄膜。这种聚合物掺杂改性策略具有两个方面的优点：1） 改善spiro-OMeTAD的导电性和及其与钙钛矿活性层之间的界面接触，从而加速界面电荷抽取过程；2）“H20/O2/Ag”的渗透扩散作用被抑制，从而延长了器件稳定性，同时抑制了复合。经过优化，初步获得21.78%的器件光电转换效率，无封装在湿度为30±5%的大气环境中储存稳定性达100天的钙钛矿太阳能电池。论文连接如下：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/solr.202100408

致谢：该工作得到国家自然科学基金（61774170）、湖南省自然科学基金（2020JJ4759）、中南大学研究生创新基金（2021zzts0502）的资助。

2021-2-20: 祝贺刘钢同学获得“中南大学2020年度优秀博士学位论文奖”

    刘钢博士论文题目为“基于 TiO2 钙钛矿太阳能电池的光浸泡行为与低温工作特性研究”。该论文围绕工作环境对钙钛矿太阳电池的影响展开系统深入的研究，在本文中分别研究了光照以及温度对钙钛矿太阳电池的影响，然后深入挖掘了内部的影响机制，为钙钛矿太阳电池的产业化推广提供了理论基础。此外，该论文创新采用原位修饰方法，在TiO₂表面生长一层CaTiO₃钝化层，有效改善了器件的UV稳定性。博士研究期间，该同学在《Applied Physics Letters》（自然指数期刊）上发表论文3篇，入选 “Top Article in Device Physics” 与“Editor's Pick”各1篇。该获奖论文不仅揭示了工作环境对钙钛矿太阳电池的影响机制，同时还创新提出原位钝化方法提高电池稳定性，为钙钛矿太阳电池发展提供了新的理论与实验依据。目前刘钢博士任职于湘潭大学。

     刘钢博士由杨兵初教授、周聪华教授合作指导。

   

2020-11-20: 祝贺林思远、石婷婷两位同学分别获批“湖南省研究生创新项目”一般项目与重点项目。

    两位同学的研究主题为基于碳电极的低温钙钛矿太阳能电池（CPSCs）。林思远同学的项目研究主题为平面结构 CPSCs，石婷婷同学的项目研究主题为介孔结构CPSCs。两位同学将从不同的侧面对CPSCs的效率提升瓶颈与稳定工作机制进行深入挖掘。衷心感谢评委老师与评委会的认可与支持。项目组今后将着力提升学生在科学问题上的寻找本领。

2020-10-20: 祝贺石婷婷同学关于“高效稳定低温介孔碳基介孔钙钛矿太阳能电池”论文在《Applied Physics Letters》主页发表，并被遴选为“Editor’s Pick”

图1 文章在Applied Physics Letters 期刊主页刊出

碳基介孔钙钛矿太阳能电池中的骨架通常需要在高温(≥450℃)条件下进行制备，制备过程时耗长，能耗高。为解决这个问题，文章采用以无机TiO2纳米晶作为粘接剂的碳膜为顶电极，结合真空处理帮助钙钛矿前驱体进行渗透和结晶，构建了在全低温(≤150℃)条件下制备的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池。

图2 低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的储存稳定性

观察发现，真空处理可以帮助钙钛矿渗透到由m-TiO₂，m-ZrO₂及碳膜底部所组成的骨架的核心部位，这有利于光生电荷的传输；同时真空处理使得碳膜更加紧致，结合TiO₂纳米晶表面的-OH在碳膜进行脱水缩合反应，这有利于器件的稳定性的提升。经过优化，获得了光电转换效率为12.29%，无封装在湿度为40-60%的大气环境中储存稳定性达225天的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池。论文连接如下：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0025442

 

致谢：论文得到国家自然科学基金（61774170）、湖南省自然科学基金（2020JJ4759）、中南大学研究生创新基金（2020zzts365, 2020zzts045）的资助。

2020-4-28: 祝贺梁泽荣同学关于“SiO₂纳米晶掺杂PbI₂提升碳基平面钙钛矿太阳能电池性能”的论文在《Chinese Physics B》上发表

 

基于碳电极的平面结构钙钛矿太阳能电池（平面碳基钙钛矿电池）具有稳定性强、制备成本低的优点，但效率低于同类型的金属电极器件。为提升器件性能，需结合体相工程与界面工程两方面对器件进行调控。该论文从体相工程入手，在PbI2溶液中掺入适量的SiO2纳米颗粒。发现该掺杂可以抑制PbI2结晶，降低PbI2与后续沉积有机离子盐之间的反应势垒从而改善钙钛矿薄膜的结晶性。并将器件性能提升至15.28% （AM1.5G，100mW/cm2）。该方法区别于过往的聚合物掺杂与溶剂掺杂，为钙钛矿薄膜的结晶过程提供了一个新的思路。

致谢：该工作获得国家自然科学基金资助（61774170）。论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/ab8da5

2019-11-21：刘钢同学关于TiO₂原位修饰增强钙钛矿太阳能电池UV稳定性的论文在《Applied Physics Letters》主页发表，并入选“Editor's Pick”             

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• 由于TiO₂的光催化活性强，基于TiO₂的钙钛矿太阳能电池稳定性通常较差。本论文使用原位化学反应的方法对TiO₂进行表面修饰，在在介孔TiO₂表面沉积Ca(OH)₂并进行热处理，生长一层CaTiO₃修饰层。发现适宜厚度的CaTiO₃不仅有助于提高器件性能，还可以改善器件稳定性。实验证实，原位生成的致密CaTiO₃覆盖层可以阻隔TiO₂与钙钛矿材料直接接触，抑制光催化过程，进而提高器件的稳定性。论文链接与截图如下：

• https://doi.org/10.1063/1.5131300.

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• 致谢：该论文得到国家自然科学基金（61774170）的资助。

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• 2019-8-26：刘鹏同学关于钙钛矿太阳能电池的论文获得《中国物理B》2018年1%高被引论文奖

                                             

《中国物理B》2018年1%高被引论文证书

2017年4月6日，刘鹏同学在Chin. Phys. B发表了论文“Improving power conversion efficiency of perovskite solar cells by cooperative LSPR of gold-silver dual nanoparticles”。刘鹏同学的论文显示，引用金-银双纳米颗粒可以提高钙钛矿太阳能电池的光捕获能力，从而提高器件的短路电流密度。2019年8月18日，《中国物理B》选为2018年1%高被引论文。这不仅是对刘鹏同学及本课题组工作的肯定，更是对本课题组的老师和同学们的一种鼓励，这将激励大家在今后踏实努力地做出更多更好的工作。论文链接与截图如下:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/26/5/058401

 

• 2019-07-24：课题组在《Solar RRL》发表关于碳基钙钛矿太阳能电池的应邀综述论文

       碳基钙钛矿太阳能电池（CPSCs）具有稳定性强的优势，但其光电转换效率相对较低。与金属电极钙钛矿太阳能电池相比，存在约30%的差距。本论文调查研究了四类结构（介孔结构、嵌入式结构、平面结构、类平面结构）CPSCs器件的效率进展情况，并与金属电极PCSs进行对比；总结出进一步提升CPSCs器件光电转换效率的可行途径：体相工程与界面工程，可为后续CPSCs的研究提供了良好的指导与借鉴。

                               

 

图：四种CPSCs和金属PCSs的性能参数对比（a）PCE，（b）V_OC，（c）FF，（d）J_SC。

论文链接与截图如下：

https://doi.org/10.1002/solr.20190190

 

 致谢：该论文得到国家自然科学基金（61774170）的资助。

• 2019-04-05：严嘉奇同学关于平面碳基界面修复的论文在《Applied Physics Letter》主页发表，并入选“Editor's Pick”

平面碳基钙钛矿太阳能电池的一个突出问题在于“钙钛矿薄膜/碳膜”之间的界面接触不充分，这限制了空穴提取速率。严嘉奇同学的论文研究显示，利用湿度辅助的后退火工艺（Moisture-assisted post-annealing, MAPA）来处理碳电极钙钛矿太阳能电池，可以有效改善该界面的物理接触，从而提升界面空穴萃取（提取）速率和改善器件性能。通过调节退火环境的湿度，在30%RH下得到最优性能，将平面碳电极钙钛矿太阳能电池的效率提升至14.77%。论文发表后，得到编辑部的认可，从而入选“Editor’s Pick”，在Applied Physics Letter网站主页上推广。据悉，该期刊仅在每期论文中遴选极少数论文进行推广。

                               

图：(a)碳电极钙钛矿太阳能电池在不同湿度下后退火的JV曲线，(b)器件性能参数随后退火湿度的变化情况。

分析表明，器件在湿度辅助后退火之后，钙钛矿晶粒得到后生长，晶粒尺寸增大，填补了原本存在于钙钛矿活性层和碳电极之间的孔隙，促进了空穴的萃取，抑制了载流子的复合，有效地提高器件的性能。论文链接与截图如下：https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5087098

 

• 2019-01-22：祝贺周老师被评为2017年Elsevier期刊的杰出审稿人

近日，周老师被评为2017年Elsevier期刊《Organic Electronics》(物理ESI 1区期刊，影响因子3.6)的杰出审稿人，特此祝贺！

 

 

• 2019-01-10：祝贺陈辉、李康明两位同学分获国家奖学金、汇顶奖学金

  2016级研究生陈辉同学获得2018年硕士研究生国家奖学金；2016级研究生李康明同学获得2018年汇顶二等奖学金。两位同学的研究课题为碳基介孔钙钛矿太阳能电池。这是一种新型薄膜太阳能电池，具有光电转换效率高、制备工艺简单的特点。常规的钙钛矿太阳能电池采用金属银、铝薄膜作为顶电极。由于金属银、铝与钙钛矿材料之间容易起反应，制约了器件稳定性。陈辉、李康明两位同学采用化学惰性、价格低廉、导电性优异的碳材料作为顶电极，做制备的器件具有效率高、寿命长的优点。

陈辉同学关于“钙钛矿负载量对钙钛矿电池转换效率的影响”的论文在 Organic Electrionics（物理ESI, Q1）发表[1]。论文讨论了不同浓度前驱体情况下对钙钛矿渗透的影响，负载量的变化一方面提升了钙钛矿的结晶质量，降低了器件滞后；另一方面，过多的负载量填充在碳膜中减弱了电极空穴萃取能力，综合之下，在0.4M的浓度下器件性能最优。此外，陈辉同学与康璐同学共同一作关于“偏心旋涂银纳米线阵列的跷跷板状的极化透过率行为”的论文被 Journal of Applied Physics（物理ESI, Q2）发表[2]。两人采用偏心旋涂制备了银纳米线阵列薄膜，发现了光透过率与波长以及偏振角度（光的电场方向与纳米线长度方向）有关。随着偏振角度增加，以494nm为界，长波段与短波段的透过率变化趋势完全相反，呈现出新颖的“跷跷板”特性。

李康明同学关于“碳膜厚度对钙钛矿电池性能的影响”的论文在 Organic Electrionics（物理ESI, Q1）发表[3]。讨论了碳膜厚度对碳基介孔钙钛矿太阳能电池光电转换特性的影响。研究结果表明，导电性良好的碳电极更加有利于空穴载流子的传输，有效地提高器件的性能。即使碳基介孔钙钛矿太阳能电池碳膜厚度只有4μm，器件稳定性也能长达112天（相对湿度为40-70％，没有封装）。该结果表明，基于TiO₂纳米粒子键合碳膜可以有效地屏蔽水氧的分解。

两位同学的研究工作得到了国家自然科学基金(No. 61774170）、湖南省自然科学基金(No. 2015JJ3143)以及中南大学研究生创新项目（2018zzts359、2017zzts331）的经费支持。

[1]H. Chen, K. Li, H. Liu, Y. Gao, Y. Yuan, B. Yang, C. Zhou*, Dependence of power conversion properties of hole-conductor-free mesoscopic perovskite solar cells on the loading of perovskite crystallites. Organic Electronics. 61 (2018) 119-124.

[2]L. Kang, H. Chen, Z.-J. Yang, Y. Yuan, H. Huang, B. Yang, Y. Gao, C. Zhou, Seesaw-like polarized transmission behavior of silver nanowire arrays aligned by off-center spin-coating. Journal of Applied Physics. 123 (2018) 205110. （LK, HC共同一作）

[3]K. Li, H. Chen, H. Liu, Y. Yuan, Y. Gao, B. Yang, C. Zhou*, Dependence of power conversion properties of the hole-conductor-free mesoscopic perovskite solar cells on the thickness of carbon film. Organic Electronics. 62 (2018) 298-303.

 

• 2018-08-01: 何松同学关于“二维无序纳米线网络的导电性”的论文在Journal of Applied Physics主页发表，并入选“Feature article”

    文章研究了二维无序纳米线网络的导电性，发现纳米线导电通路的长度比是影响纳米线网络导电性的关键因素。本文提出了一种监测网络中导电通路的形成和网络导电性变化的算法，模拟发现随着纳米线面积分数或长度的增加，导电通路的长度比增大，网络导电性增强。

图: 两种不同长度纳米线形成的典型无序纳米线网络 (a) 35 um (b) 50 um；纳米线长度对无序网络长径比 (c) 和电阻 (d) 的影响.

 

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所何勇老师的大力支持，以及国家自然科学基金（61172047）的资助。

 

• 2018-09-11:刘钢同学关于“温度对钙钛矿太阳电池性能的影响”的论文在应用物理领域国际权威期刊《Applied Physics Letters》发表

论文研究了在模拟室外温度范围内（240K-310K），钙钛矿太阳电池的输出性能随温度的变化。研究发现，温度降低时，短路电流基本保持不变，光电转换效率的变化主要是由开路电压以及填充因子变化造成的。反向扫描的填充因子随着温度降低而逐渐减小，而正向扫描的填充因子随着温度降低先是逐渐升高，然后再减小，在T=260K出现一个拐点。对于开路电压，它在温度降低过程中，正向扫描和反向扫描的结果均逐渐增加。随着温度降低，器件的电流滞后现象逐渐减小。

 

图：(a)钙钛矿太阳电池在不同温度下的JV曲线，(b)性能参数随温度的变化情况。

 分析表明，器件性能随温度变化主要因为温度降低会降低电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)的导电性，以及抑制钙钛矿薄膜中离子移动。论文连接如下：

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所高永立教授、袁永波教授、48所陆运章博士的大力支持，以及国家自然科学基金（61774170）的资助。

 

• 2018-06-05: 祝贺钟佳君、聂岑高、向锦林、王俣杰同学大学生创新项目“等离子体共振吸收耦合热效应对银纳米线线间焊接行为的影响研究”荣获中南大学创新创业年会“优秀论文奖”

 

• 2018-05-27：研究小组成员万方、陈辉、李康明、严嘉奇、仇鑫灿、梁泽荣、石婷婷参加第四届新型太阳能电池学术研讨会（中国北京）。

 

• 2018-05-29：康璐、陈辉同学关于“偏心旋涂银纳米线阵列的跷跷板状的极化透过率行为”的论文在 《Journal of Applied Physics》 发表

文章采用偏心旋涂制备了银纳米线阵列薄膜，并对其光透过行为进行了研究，发现了光透过率在不同的波长光的情况下随着光偏振方向和银纳米线阵列方向的夹角的变化呈现不同的变化趋势，从而光透过率形成“跷跷板”状的特性。

图(a) 纳米线阵列透过率曲线随夹角变化规律;（b）相应的极坐标图像

研究发现这主要归结于沿着纳米线方向的消光系数和垂直纳米线方向消光系数随波长增大而分别增大和减小，这使得透过率相交且有一支点。进一步采用FDTD模拟发现，支点与纳米线直径相关，且拟合结果与实验比较一致。

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所杨中见老师、高永立老师、袁永波老师的大力支持，以及国家自然科学基金（61172047）的资助。

 

• 2018-05-09：万方同学关于“SnO₂基界面修饰提升界面电荷萃取与紫外稳定性”的论文在Organic Electronics发表

TiO₂是钙钛矿太阳能电池中广泛使用的电子传输材料。然而TiO₂的光催化效应会严重影响器件的稳定性。为了解决这一问题，我们提出了使用原位反应制备的SnO₂薄层钝化TiO₂界面的策略，然后使用钝化后的TiO₂制备钙钛矿太阳能电池。

图(a)-(c)TiO₂光催化示意图 (d)紫外光稳定性实验

研究表明，TiO₂的光催化效应会加速钙钛矿的分解。而在使用SnO₂层钝化表面之后，光催化效应得到抑制，钙钛矿的分解减慢。论文链接如下：

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所高永立老师、袁永波老师、黄寒老师的大力支持以及国家自然科学基金(61172047)的资助。

 

• 2018-04-04：刘煌同学关于“高效稳定碳基介孔钙钛矿太阳能电池” 的论文在 Organic Electronics 发表

   碳基介孔钙钛矿太阳能电池中的绝缘层目前仅采用过ZrO₂一种材料，本论文采用来源更广泛（地壳中Si元素含量比Zr高1000倍以上）,成本更低廉的 SiO₂取代ZrO₂作为绝缘层，成功制备了效率13.09%，在50%-70%的环境湿度下稳定保存104天的高效稳定的钙钛矿太阳能电池，与目前采用ZrO₂绝缘层的碳基介孔钙钛矿太阳能电池的器件性能相当，但可以进一步降低该类新型太阳能电池的制备成本，对推动其广泛应用具有重要意义。

图（a） 器件J-V曲线 （b）器件稳定性图

文章通过调节SiO₂浆料浓度来研究SiO₂绝缘层的厚度对器件性能的影响。观察发现，采用适中的SiO₂浓度（0.84M）制备钙钛矿太阳能电池，更有助于获得更加高效的钙钛矿太阳能电池；无绝缘层时，器件光电转换效率仅为5%左右；而当SiO₂浓度过高时，SiO₂薄膜会发生开裂，将会造成器件性能的严重衰减。论文链接如下：

                                                                                                                 

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所高永立教授、袁永波教授的大力支持，以及国家自然科学基金（51203192、61172047、61306080）的资助。刘煌同学的指导老师为：杨兵初教授、周聪华副教授。

 

• 2018-04-04：仇鑫灿同学关于“柔性钙钛矿太阳能电池” 的论文在 Organic Electronics 发表

论文通过低温溶液法成功制备了柔性、高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。采用两步溶液法处理的SnO₂层作为电子传输层材料：第一层是由水热法合成的SnO₂纳米颗粒建造，第二层是由SnCl₂溶液水解氧化原位形成。两步形成的SnO₂层能有效地提高柔性钙钛矿太阳能电池性能。

图1 （a）柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线，（b）柔性钙钛矿太阳能电池光学照片。

观察发现：与单层的SnO₂层相比，两步处理的SnO₂层可以加快电荷提取，降低接触电阻，减少电荷复合，使得器件的短路电流密度、填充因子和光电转换效率明显提升。冠军电池效率为15.21%，该器件在黑暗中储存了111天（相对湿度为35%-55%，没有使用封装），设备可以保持原始效率的85%。论文链接如下：

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所高永立教授、袁永波教授、黄寒教授、牛冬梅副教授、谢海鹏博士、刘裕泉同学的大力支持，以及国家自然科学基金（61774170、61172047、51673218、11334014）的资助。仇鑫灿同学的指导老师为：杨兵初教授、周聪华副教授。

 

• 2017-10-09：祝贺刘钢同学关于“钙钛矿太阳能电池中不可逆光浸泡现象”的论文在《Applied Physics Letter》发表, 该工作被APL遴选为“Top Articles in Device Physics ”
  

  论文揭露了基于TiO₂的钙钛矿太阳电池中存在的不可逆光浸泡现象。该现象体现为，随着光浸泡时间的延长，器件性能逐渐升高，最终达到一个稳定的最高值。同时，分别将样品放置在暗态环境1天、2天、4天，器件性能都不会恢复到初始值，而是保持在最高值的70%左右，这与非TiO₂体系PSC中观察到的可逆光浸泡现象不同。

                                                                                       

 

                                            图1 器件的性能参数随光照时间的变化                            图二 紫外光对光浸泡现象的影响对比

观察发现，不可逆现象由紫外光照射引起。X射线光电子能谱（XPS）研究表明，紫外光照射后，在TiO₂表面产生了许多氧空位。后续电导测试、TRPL、EIS测试表明氧空位的存在改善了TiO₂的导电性，促进界面载流子萃取，提高器件的性能。最终助力于“不可逆的光浸泡现象”。该工作深入分析了不可逆光浸泡现在产生的原因及内部工作机制，对相关领域的研究有很好的指导作用。论文链接如下：

致谢：论文得到中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所高永立教授、袁永波教授、阳军亮教授、牛冬梅副教授、肖思副教授、谢海鹏博士、刘保星同学、张楚俊同学的大力支持，以及国家自然科学基金（51203192、61172047、61306080）的资助。论文链接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4994085

 

• 2017-09-22：研究小组成员刘钢同学在中国新能源材料与器件第一届学术会议上作报告。

 

• 2017-09-21：研究小组成员刘钢、万方、林思远、李康明、严嘉奇、刘煌、仇鑫灿参加中国新能源材料与器件第一届学术会议（中国长沙）。

 

• 2017-05-27：周老师带领课题组成员刘钢、万方、林思远、陈辉、李康明、严嘉奇、刘煌、仇鑫灿参加第四届新型太阳能电池学术研讨会（中国北京）。

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•                                                                                 图片为周老师（前排右2）、袁老师与课题组成员合影