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郝跃院士团队常晶晶教授受邀在《Applied Physics Reviews》发表文章并入选Featured Article

日期:2022-09-01 09:16 点击量:

近年来,随着对可穿戴和便携式自供电设备需求的增长,柔性钙钛矿太阳能电池(FPSC)以其重量轻和可变形等特点受到广泛关注,在柔性、稳定性和效率方面取得了重大进展,其能量转换效率已经从2.62%提升到超过21%。西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授课题组总结了FPSC的最新研究进展。文章重点总结了平面结构的柔性钙钛矿太阳能电池的研究进展,从不同功能层(其结构通常包括:柔性衬底,透明电极,电子传输层,空穴传输层,钙钛矿薄膜和顶电极)的材料选择和器件结构设计的角度对FPSC进行了评估和总结。并讨论了FPSC在更高效率、更高柔性、更高稳定性和大规模制造方面面临的挑战。

FPSC的应用领域

一般来说,柔性衬底要满足坚固耐用,柔软,透明,光滑,以及良好的化学稳定性和热稳定性等要求。文中总结并对比了不同柔性衬底的特点,包括应用最广泛的聚合物材料(PET、PEN和PI),柔性玻璃,生物质材料(纳米纸、纤维素、甲壳素)以及金属箔(Ti、Cu等)等。对于采用聚合物为衬底的柔性器件来说,由于聚合物通常不耐高温,因此需要发展低温制备的电荷传输材料。电子传输材料对于选择性地将光生电子从活性层提取和传输到阴极至关重要。高效的电子传输材料应具有合适的电子注入能级、足够宽的带隙来减少寄生光吸收以及高电子迁移率,避免电子在电子传输层和钙钛矿层界面处积累。常用的电子传输材料包括TiO2、ZnO和SnO2,其他氧化物如Zn2SnO4、Nb2O5和有机电子传输材料也在FPSC中有应用。

空穴传输材料起到从钙钛矿中提取光生空穴并传输到阳极的作用,一般需要满足高空穴迁移率,高电导率、良好的电子阻挡能力、以及合理的能带结构等要求。常用的空穴传输材料包括spiro-OMeTAD, PTAA,NiOx,PEDOT:PSS等。文章从空穴传输材料的光电性能、制备方法、掺杂策略、界面工程和结构优化等方面总结了提升柔性器件性能的方法。除此之外,由于钙钛矿材料除了作为光吸收层之外,还可以作为空穴传输材料传导空穴。因此,无空穴传输材料的器件也显示出良好的能量转换效率,并且具有更好的稳定性和更低的成本。

由于钙钛矿材料固有的脆性,在反复弯曲或拉伸过程中,应力诱导的裂纹会沿晶界扩展,导致柔性器件的光电性能下降。通过向钙钛矿材料中添加掺杂材料可以制备更柔韧耐用的钙钛矿薄膜。通常使用的聚合物添加剂(包括软弹性体、长烷基链聚合物、交联材料、自聚合分子、自修复聚合物等),能够吸收弯曲过程中薄膜产生的应力,防止形成裂纹。并且这些添加剂还可以通过抑制钙钛矿结晶速度和提供更多的成核位点来诱导生长高质量的钙钛矿薄膜。此外,添加剂还能够钝化晶界,减少缺陷、阻止离子迁移并防止水分侵入,使器件稳定性得到显著提升。除了添加聚合物添加剂之外,在钙钛矿两侧增加有粘性的界面层也能够增强钙钛矿薄膜柔韧性。

最后,文章总结了柔性钙钛矿光伏器件在提升效率,柔性,稳定性和大规模制备方面面临的挑战。我们相信FPSC将在未来的柔性光伏市场中扮演重要角色。

该综述文章以“FlexiblePerovskiteSolar Cells: Material Selection and Structure Design”为题,以Review形式,发表于应用物理顶级期刊《Applied Physics Reviews》(影响因子:19.5)上,并被选为FeaturedArticle在官网首页展示。该综述常晶晶教授为论文通讯作者,在读博士研究生徐雨萌为论文第一作者。论文得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央基础研究基金以及西安电子科技大学创新基金等科研项目的资助。

《Applied Physics Reviews》是美国物理联合会(American Institute of Physics)旗下的物理学顶级期刊,旨在发表应用物理学领域重要而新颖的高质量研究成果或权威而全面的综述。

截止目前,团队已受邀在Applied Physics Reviews、iScience、Nano-Micro Letters、Infomat、Ecomat、Journal of Energy Chemistry、Journal of Materials Chemistry C等发表综述论文7篇,研究论文多篇。

论文链接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0084596

教师简介:

常晶晶,教授,博士生导师,国家高层次人才计划入选者,中国科协青年人才托举工程入选者,陕西省青年科技奖获得者,陕西省青年科技标兵,陕西省青年托举人才,陕西省重点科技创新团队核心成员,中国真空学会电子材料与器件专委会副秘书长,西安市侨联委员,陕西省侨联青年委员,校学术委员会委员,西电柔性电子交叉研究中心负责人等。2010年6月在四川大学获得学士学位,之后在新加坡国立大学攻读博士学位,期间前往新加坡材料研究与工程研究所(IMRE)从事博士课题研究。2014年博士毕业后,继续在新加坡国立大学材料科学与工程系从事博士后研究员工作。2015年通过西安电子科技大学“华山学者”菁英人才计划加入微电子学院。近年来主要从事宽禁带氧化物半导体电子及光电器件的制备及研究,柔性印刷器件及系统集成,钙钛矿光电及探测器件的研究工作等。

截止目前,常晶晶教授在Science、NatureEnergy、Joule、Research、AppliedPhysicsReviews、AdvancedMaterials、AdvancedEnergyMaterials、AdvancedScience、ACSEnergyLetters、Nano Energy等国际核心期刊上发表SCI论文200余篇,被引用6200余次,研究成果被ScienceAAAS、AdvancedScienceNews、MaterialsViewsChina、纳米人、科技日报、中国科技成果、今日头条等学术网站作为研究亮点进行报道,20余篇文章入选年度热点文章及ESI高被引文章,同时申请新加坡/国际发明专利/中国专利50余项,授权专利12项。所做工作获陕西省高等学校科学技术奖一等奖、海南省自然科学奖二等奖、华为火花奖等。
 


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