2025-11-2:郭得恩同学低温介观碳基钙钛矿太阳电池中有关“钙钛矿/碳电极”界面冗余微晶去除与钝化的研究工作在Small Methods发表
介观碳基钙钛矿太阳能电池(meso-CPSCs)是碳基器件的重要分支。碳电极(CE)内部因介孔限域效应形成的纳米尺寸钙钛矿(PVSK)“冗余微晶”,对光吸收贡献微弱,却引入了显著的电荷复合风险,成为制约器件性能进一步提升的关键瓶颈。如图1所示,本研究采用低温meso-CPSCs作为研究对象,提出了三步处理策略以解决冗余微晶问题--T1:部分碳电极剥离;T2:辛基碘化铵(OAI)溶液修饰;T3:二次碳电极涂覆。研究发现,T1步骤有效去除了碳电极中大部分的纳米级PVSK冗余微晶,从源头降低了非辐射复合中心密度;T2步骤利用OAI在粗糙化的PVSK表面诱导形成了具有宽方位角分布的倾斜堆叠二维(2D)PVSK相,显著优化了PVSK/CE界面的能级结构与电荷提取能力;T3步骤则通过构建新鲜的碳接触层,降低了器件串联电阻并强化了界面机械与电学接触。该协同处理使得器件内部电荷转移电阻显著降低,载流子提取时间缩短,寿命延长,内建电势得以提升。

图 1 (a) 三步处理示意图;(b)低温介孔碳基器件界面SEM;(c)T1步骤获得的碳电极碎片的TEM与元素mapping;(d)局部HRTEM图;(e)冗余钙钛矿微晶形成示意图
如图 2所示,低温meso-CPSC器件光电转换效率从14.25%提升至18.07%,相对首次报道的同类低温器件效率提升约50%,并实现了与高温制备器件相当的性能水平。在未封装的条件下,器件于空气环境中进行准最大功率点跟踪测试,获得了约525小时的T80寿命,同时热稳定性也得到显著增强。

图2 器件稳定性测试:(a)Q-MPPT追踪测试;(b)热稳定性测试与对比;(c)Q-MPPT及热稳定性测试后的XRD表征;(d)介孔结构“限域作用”抑制钙钛矿分解、提高稳定性示意图
该工作表明,通过合理调控策略,低温介观碳基钙钛矿太阳电池的光电转换效率可以得到逐步提高,其介孔结构可以提供“限域作用”,抑制钙钛矿分解,提升稳定性。此外,该结构可以全程在低温(150oC)、空气条件下制备,有利于进一步缩短生产周期,降低成本。该工作得到上海光源高兴宇研究员、何丙辰博士团队的大力支持,以及国家自然科学基金(62374185)的资助,在此鸣谢。相关成果已经发表。[Small Methods, e01317 (2025), https://doi.org/10.1002/smtd.202501317]
2025-9-22:马姣同学“通过CsI共混同时提高平面碳基钙钛矿太阳电池光电转换效率和湿度稳定性”的论文在Applied Physics Letters发表
平面碳基钙钛矿太阳电池是课题组主攻的两类碳基器件之一,具有稳定性高的优点。但湿度稳定性仍然受到碳电极多孔状态的挑战。针对该问题,马姣同学将三种碱金属碘化物盐(CsI、LiI和KI)混合在碳浆当中,然后涂覆在钙钛矿(PVSK)层上制备碳电极(CE)以完成器件制备,之后在相对湿度为85%的湿热箱中处理所得的碳基钙钛矿太阳能电池。XRD和SEM研究观察到,CsI处理会触发PVSK的二次生长,以及PVSK 中A位点的掺杂行为。TPC/TPV衰减曲线记录和器件的莫特-肖特基研究表明,CsI处理具有最长的载流子寿命、最短的电荷提取时间和最高的内置电势。因此,CsI混合将功率转换效率从17.22%提高到19.16%(增加膜厚和镀银后优化到19.89%),提高了11%,高于LiI、KI和对照组的提高幅度7%、1%和2%。CsI处理器件的T80寿命为209小时,而LiI、KI和对照组的寿命分别为180小时、67小时和90小时。进一步研究表明,上述结果与碱金属离子的水合摩尔吉布斯自由能(ΔhydG*)有关。Cs+拥有最低的ΔhydG*,从而增强了其疏水性。值得指出,Li+拥有最高的ΔhydG*,从而引发了对H2O分子的“缓释效应”,也有以利于提高器件耐湿性。

图1 “渗透法”和“旋涂法”对PVSK的影响研究

图2 器件湿度稳定性提高机制研究
论文链接如下:https://doi.org/10.1063/5.0280346
该工作得到国家自然科学基金(62374185)的资助。
2025-9-2:彭恒同学关于“无空穴导体介观碳基钙钛矿太阳能电池光电转换构建过程监测”的论文在Applied Physics Letters发表
介观碳基钙钛矿太阳能电池(简称为meso-CPSCs)具有独特的器件制备过程:首先,构建介孔骨架,如“ITO/ETL/mp-ETL/mp-ZrO 2 /CE”(“ETL”和“mp-”分别表示“电子传输层”和“介孔”);其次,将PVSK 前驱体渗入介孔骨架当中并完成结晶。两个过程皆可在全空气环境条件下低温制备。本工作中,彭恒同学对钙钛矿晶粒的结晶过程与器件的光电转换过程进行同步监测。研究发现,同时,随着退火时间延长,器件中的异质结结构明显演化,从ETL和 PVSK 前驱体之间的异质结,转变为 ETL 和 PVSK 微晶之间的异质结。在退火20分钟后器件即出现光电转换,但由于中间相的存在而出现严重滞后。随着退火时间增加到120 min,中间相减少,PVSK 的埋底界面得到改善,使得电荷提取加速,电荷复合被抑制,内建电势(Vbi)提高。因此,PCE从10.47%提高到12.42%,滞后因子从19.19%大幅下降到 1.06%。增加碳电极厚度和延长退火时间可以进一步提高PVSK的结晶质量,从而将PCE提高到15.26%,在露天准最大功率点跟踪试验中,未封装器件获得约为390 h的T80寿命。该工作为建立“PVSK结晶”与“器件光电转换”之间的直接联系提供了独特的视角。

图1 meso-CPSCs器件物理数据

图2 meso-CPSCs器件性能随PVSK前驱体退火时间的变化图
论文链接如下:https://doi.org/10.1063/5.0280346
该工作得到国家自然科学基金(62374185)的资助。
2025-8-29: 唐瑞鸿、何怡荻、龚锦阳等本科生同学关于“电场诱导下银纳米线透明导电薄膜的断裂行为及防护”的论文在Nanoscale发表
银纳米线(AgNWs)透明导电薄膜(TCFs)具有优异的透光导电性能,为拓展其应用场景,需提升其稳定性。唐瑞鸿与何怡荻、龚景阳、杨博宇等同学合作研究发现,对AgNWs-TCFs持续施加偏压时,电流先缓慢下降,随后迅速降至零。金相显微镜与扫描电子显微镜测试表明,银纳米线发生熔断行为。热成像测试证实,裂纹产生的同时伴随“焦耳效应”。多物理场仿真表明,裂纹形成与电场分布密切相关。该现象可以采用焦耳定律微分形式进行合理解释。进一步研究发现,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面修饰可提高AgNWs的电稳定性,且在应用于防雾玻璃当中。

图1 (a) 给定偏压(3 V)下电稳定性测试曲线;(b)、(c)测试前后的金相显微镜图像;(d)电稳定性测试后的 SEM图像;(e) 裂纹区域放大图像;(f)正常AgNWs的放大图像
唐瑞鸿、何怡荻、龚锦阳三位同学为我校本科生,并列一作。论文链接如下:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/nr/d5nr02924d
2025-7-7:刘思佳同学关于“KCl在PbI2中诱导‘缓释效应’,提升钙钛矿结晶度与碳基太阳电池的反偏压稳定性”的论文在Journal of Materials Chemistry C发表
在两步法制备钙钛矿太阳能电池(PSCs)过程中,调控铅卤化物钙钛矿(PVSK)的结晶行为将影响器件光电转换性能和稳定性。刘思佳同学创新性地在PbI2前驱体中掺入氯化钾(KCl)以调控PVSK的生长过程。研究发现,KCl能够压缩PbI2晶格,减缓PbI2与有机盐的反应速率,从而延缓PVSK结晶过程,提高结晶度。得益于结晶度的提升,光生载流子寿命得到延长。受益于此,无空穴传输层 CPSCs 的开路电压(Voc)提升至1.16 V,电压损失降至0.37 V(非辐射复合开压损失约为0.1V),光电转换效率(PCE)从17.36%提升至19.66%。此外,KCl的引入大幅增强了器件的反向偏压稳定性。反偏压稳定性测试和热成像技术证实,KCl处理后的器件具有更高的击穿电压(Vrb)和更高的稳定性。更为重要的是,该研究首次在碳基钙钛矿器件中观测到“反偏压诱导的发光(reverse-bias induced lumination, RBL)”现象,在-4 V反向偏压下,外量子效率(EQE)可达~5%。分析表明,RBL行为源于缺陷辅助的电荷隧穿过程。这项研究不仅为进一步提高无空穴传输层 CPSCs 的稳定性提供了一种策略,还将此类器件的应用拓展到了发光领域。

图1 KCl诱导PbI2缓释效应机制示意图

图2 (a-b)4V偏压下CPSC的发光现象(RBL);(c-d)缺陷辅助隧穿效应对反向偏压(RBL)影响的示意图
论文链接:https://doi.org/10.1039/d5tc01384d
该工作得到国家自然科学基金(62374185)和湖南省教育厅科学研究重点项目(22A0005)的资助。
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论文答辩后与专家委员们合影

图3 郭得恩同学博士学位论文答辩后与专家委员们合影
2025-4-2:于晓涵同学在Small Methods发表
