納米人編輯部對2019年國內(nèi)外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是，美國北卡羅萊納州立大學和內(nèi)布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授課題組。
黃勁松教授的課題研究組一直專注于有機電子和納米電子材料及其器件的研究。主要的研究方向：有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、光探測器、X光和其他輻射探測器。
下面，我們簡要介紹黃勁松教授課題組2019年部分重要成果，供大家交流學習（僅限于通訊作者文章，以online時間為準）。
近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高的轉(zhuǎn)換效率、簡單的制備工藝和低廉的制造成本受到了全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，發(fā)展迅速。鈣鈦礦太陽能電池實際應(yīng)用的重要瓶頸和關(guān)鍵問題在于如何實現(xiàn)低成本、大面積、高效率器件及解決穩(wěn)定性的難題。2019年，黃勁松教授團隊在鈣鈦礦光伏器件領(lǐng)域做出了重要貢獻。
1. Sci. Adv.: 量身定制溶劑配位，高速室溫刮涂大面積鈣鈦礦薄膜
2019.12.06
小面積鈣鈦礦光伏電池的效率已提高到25％以上，而大多數(shù)報道的制造方法無法轉(zhuǎn)移到可擴展的制造工藝中。黃勁松課題組報道了一種通過調(diào)整溶劑配位能力在環(huán)境條件下以99 mm/s的速度快速刮除大面積鈣鈦礦薄膜的方法。
將揮發(fā)性非配位溶劑與Pb2+和低揮發(fā)性配位溶劑混合使用，可以在室溫下實現(xiàn)快速干燥和較大的鈣鈦礦晶粒。可復(fù)制的制造產(chǎn)生的模塊認證效率為16.4％，面積為63.7 cm2。該方法可以用于各種鈣鈦礦組合物。鈣鈦礦組件還顯示出-0.13％/°C的較小溫度系數(shù)，經(jīng)過58次遮光后幾乎可以完全恢復(fù)效率，遠好于商用硅和薄膜太陽能組件。
Tailoringsolvent coordinationfor high-speed, room-temperature blading of perovskitephotovoltaic films, ScienceAdvances, 2019
DOI:10.1126/sciadv.aax7537
https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaax7537
2.AEM：15.86%！柔性鈣鈦礦太陽能模組的記錄性效率
2019.11.21
鈣鈦礦材料因其強大的吸光能力和低溫處理能力而成為柔性光伏應(yīng)用的良好選擇，但尚未實現(xiàn)高效的柔性鈣鈦礦組件。黃勁松課題組通過使用添加劑工程在康寧Willow玻璃上刮涂高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽能模組的記錄性效率。
將氯化銨（NH4Cl）添加到鈣鈦礦前體溶液中以阻止形核，從而防止在鈣鈦礦和玻璃的界面處形成空隙。NH4Cl的添加還抑制了PbI2的形成并降低了鈣鈦礦膜中的陷阱密度。最后，研究人員在小面積單結(jié)柔性鈣鈦礦太陽能器件取得19.72%的效率；在面積為42.9 cm2的模組上，孔徑效率達到了創(chuàng)紀錄的15.86％。這項工作為擴展適用于各種應(yīng)用的高效柔性鈣鈦礦模組提供了一種簡單的方法。
Huang, J. et al. ScalableFabrication ofEfficient Perovskite Solar Modules on Flexible Glass Substrates.AEM 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201903
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/aenm.201903108
3. Nat. Commun.：22.7%效率！疊層鈣鈦礦電池
2019.10.03
黃勁松課題組研究發(fā)現(xiàn)，錫基鈣鈦礦電池中的電荷收集效率受到電子擴散長度的限制。在鈣鈦礦型前體中添加少量Cd3+會降低電子陷阱密度，從而產(chǎn)生2.72±0.15微米的長電子擴散長度。將窄帶隙鈣鈦礦薄膜的優(yōu)化厚度增加到1000 nm。對于單結(jié)窄帶隙PSC和鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池，分別獲得了20.2和22.7％的效率。這項工作為增強窄帶隙鈣鈦礦的光電性能和開發(fā)鈣鈦礦-鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的潛力提供了一種有前途的方法。
Enhancingelectron diffusion length innarrow-bandgap perovskites for efficientmonolithic perovskite tandem solarcells，Nature Communications,(2019)
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12513-x
4. Science: 穩(wěn)定！！！鉛氧化物穩(wěn)定鈣鈦礦電池
2019.08.02
黃勁松課題組通過將鈣鈦礦與硫酸鹽或磷酸鹽離子反應(yīng)，將鹵化鉛鈣鈦礦表面轉(zhuǎn)化為水不溶性鉛（II）氧鹽，可以有效地穩(wěn)定鈣鈦礦表面和體相材料。這些封端鉛氧化物薄層通過形成強化學鍵來增強鈣鈦礦薄膜的耐水性。寬帶隙鉛氧化物層還通過鈍化未對稱的表面引線中心（其是缺陷成核位點）來降低鈣鈦礦表面上的缺陷密度。鉛氧化物層的形成增加了載流子復(fù)合壽命并將太陽能電池的效率提高到21.1％。在AM 1.5G照射下，鉛氧化物層穩(wěn)定的封裝器件在65℃穩(wěn)定輸出1200小時，保持其初始效率的96.8％。
Shuang Yang, Shangshang Chen,Jinsong Huang, et al. Stabilizing halide perovskite surfaces forsolar celloperation with wide-bandgap lead oxysalts, Science，2019
DOI: 10.1126/science.aax3294
https://science.sciencemag.org/content/365/6452/473
5. AM：升高的器件溫度和過量載流子對鈣鈦礦太陽能電池快速光誘導(dǎo)降解
2019.07.04
隨著功率轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在達到24.2％，限制使用鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的高效發(fā)電的主要因素是它們的長期穩(wěn)定性。特別是，PSC已經(jīng)證明在光照下快速降解，其驅(qū)動機制尚待理解。黃勁松課題組研究表明，由于恒定照射，升高的器件溫度與過量的電荷載流子相結(jié)合是在照射下封裝的鈣鈦礦太陽能電池快速降解的主要力量。
將器件冷卻至20°C并在最大功率點下工作，與在60°C的開路條件下工作相比，CH3NH3PbI3太陽能電池的穩(wěn)定性提高了100倍以上。在CH3NH3PbI3中也觀察到源自光熱誘導(dǎo)的擴增的光誘導(dǎo)的應(yīng)變，其排除了其他光誘導(dǎo)應(yīng)變機制。然而，在照射下CH3NH3PbI3太陽能電池的初始快速降解中，應(yīng)變和電場似乎不起任何作用。結(jié)果表明，升高的溫度和過量的電荷載體促進PSC中額外的重組中心的形成最終導(dǎo)致快速的光誘導(dǎo)降解。還給出了測量PSC穩(wěn)定性的最佳方法指南。
Synergistic Effect of Elevated DeviceTemperature and Excess Charge Carriers on the Rapid Light‐Induced Degradation of Perovskite Solar Cells.AM 2019.
DOI:10.1002/adma.201902413
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201902413
6. Chem. Soc.Rev.：鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的缺陷及其鈍化
2019.06.12
迄今為止，所有高效的有機-無機鹵化物鈣鈦礦（OIHP）太陽能電池都是由多晶鈣鈦礦薄膜制作而成的。這種多晶鈣鈦礦薄膜具有包括點缺陷和擴展缺陷在內(nèi)的高缺陷密度。在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）發(fā)生電荷復(fù)合和離子遷移的過程中，有機-無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池材料中的缺陷起著十分重要的作用，其缺陷程度與形式嚴重影響著器件的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
黃勁松課題組綜述了近年來在鈍化缺陷和抑制離子遷移以提高效率和高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽能電池方面的最新進展。由于光致發(fā)光材料具有顯著的離子性質(zhì)，因此其內(nèi)部其缺陷必然帶電荷。在OIHP薄膜中，由特定電荷缺陷引起的深能級勢阱是主要的非輻射復(fù)合中心；研究人員可以通過通過坐標鍵合、離子鍵合或化學轉(zhuǎn)換等策略來對電荷缺陷進行鈍化來有效減輕這些深能級勢阱帶來的負面影響負面影響。此外，淺層電荷勢阱本身對非輻射復(fù)合的貢獻很小，但是OIHP薄膜中電荷淺層勢阱的遷移引發(fā)了能帶彎曲、界面反應(yīng)和相分離等不利現(xiàn)象，影響了載流子的萃取效率。文章最后還描述了缺陷和離子遷移對鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的影響。
Imperfectionsand their passivation in halideperovskite solar cells.Chemical Society Reviews, 2019.
DOI: 10.1039/C8CS00853A
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C8CS00853A#!divAbstract
7. ACS Energy Lett.：低聚SiO2包覆鈣鈦礦，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的光伏電池
2019.05.09
由缺陷態(tài)引起的雜化鈣鈦礦材料的內(nèi)在不穩(wěn)定性成為阻礙鈣鈦礦太陽能電池（PSC）商業(yè)化的挑戰(zhàn)之一。鑒于此，黃勁松課題組報道了一種簡單的策略，即將鈣鈦礦顆粒包裹在核-殼幾何形狀的低聚SiO2（OS）基質(zhì)中，這可以鈍化表面和晶界處的缺陷并穩(wěn)定納米級的晶粒。研究觀察到，OS包裹的鈣鈦礦中陷阱密度顯著降低和載流子壽命延長，p-i-n結(jié)構(gòu)PSC的效率提高了21.5％，具有1.15 V的高開路電壓和81%的填充因子。這種全方位的納米級顆粒包裹使得PSC的操作穩(wěn)定性得到顯著改善，在全光譜照射下，器件老化超過5200小時后，可保持80％的初始效率。
Oligomeric Silica-Wrapped Perovskites EnableSynchronousDefect Passivation and Grain Stabilization for Efficient and StablePerovskite Photovoltaics. ACS Energy Letters, 2019.
DOI:10.1021/acsenergylett.9b00608
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00608
8. JACS：定制鈍化分子結(jié)構(gòu)，用于鈣鈦礦太陽能電池極小的開路電壓損失
2019.03.27
黃勁松課題組系統(tǒng)地設(shè)計鈍化分子官能團的結(jié)構(gòu)，包括羧基，胺，異丙基，苯乙基和叔丁基苯乙基，并研究它們對鈣鈦礦的鈍化能力。它揭示了羧基和胺基團可以通過靜電相互作用來治愈帶電缺陷，并且芳香結(jié)構(gòu)可以減少中性碘相關(guān)的缺陷。鈣鈦礦表面與分子之間相互作用可以進一步實現(xiàn)晶界鈍化，包括那些深入基底的晶界鈍化。基于此，設(shè)計出新的鈍化分子D-4-叔丁基苯丙氨酸，產(chǎn)生高性能的p-i-n結(jié)構(gòu)太陽能電池，穩(wěn)定效率為21.4％。用1.57 eV的鈣鈦礦光學帶隙的器件的開路電壓（VOC）達到1.23 V，開路電壓損失為最小值！該發(fā)現(xiàn)提供了新的鈍化分子的設(shè)計，為鈣鈦礦電子學的應(yīng)用提供了新思路。
Tailoring PassivationMolecular Structures forExtremely Small Open Circuit Voltage Loss inPerovskite Solar Cells. Journal ofthe American Chemical Society, 2019.
DOI: 10.1021/jacs.8b13091
https://doi.org/10.1021/jacs.8b13091
9. 黃勁松Science Adv.：22.6%效率！雙側(cè)烷基胺助力刮涂高效鈣鈦礦器件
2019.03.08
黃勁松課題組報道了一種添加劑策略，以提高規(guī)模化刮涂制造的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的效率和穩(wěn)定性。采用雙邊烷基胺（BAA）添加劑的刮涂制造電池可達到21.5（小面積，0.08 cm?2）和20.0％（大面積，1.1 cm2）的效率，在AM1.5G光照下，電壓損失低至0.35 V，這是目前最低的開路電壓損失值。在0.3 sun下，穩(wěn)定的輸出高達22.6％。雙側(cè)氨基的錨定使鈣鈦礦表面的缺陷鈍化，并通過暴露連接的疏水烷基鏈增強鈣鈦礦穩(wěn)定性。BAA增強了晶界，更能抵抗機械彎曲和電子束損傷。BAA將器件壽命提高到> 1000小時，在光照條件下將操作穩(wěn)定性提高到> 500小時，仍保留了90％的初始效率。
Bilateral alkylamine for suppressing chargerecombination and improvingstability in blade-coated perovskite solar cells.Science Advances, 2019.
DOI:10.1126/sciadv.aav8925
http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaav8925
10. 黃勁松Nature Commun.綜述：用于電離輻射檢測的鹵化鉛鈣鈦礦
2019.03.06
由于其缺陷耐受性，大的遷移率壽命產(chǎn)品，可調(diào)諧的帶隙和簡單的制備工藝，鹵化鉛鈣鈦礦引起電離輻射檢測領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。黃勁松課題組首先概述了直接檢測機制的高性能電離輻射檢測的材料特性要求，以及用于X射線成像和γ射線能譜。通過比較鹵化鈣鈦礦輻射探測器與現(xiàn)有技術(shù)的電離輻射探測器的性能，展示了鹵化鈣鈦礦作為有前途的輻射探測器的有希望的特征和挑戰(zhàn)。
Halide lead perovskites for ionizing radiationdetection. Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-08981
https://doi.org/10.1038/s41467-019-08981-w
11.黃勁松AFM：超厲害! 5.9％效率！晶圓級水系鈣鈦礦電池
2019.01.23
在太陽能電池工業(yè)中需要大量的太陽能級單晶或多晶晶片，并且通常由晶錠的自頂向下工藝形成，這在切片，拋光和其他加工過程中造成材料和能量的顯著浪費。黃勁松課題組報道了一種自下而上的技術(shù)，該技術(shù)允許直接從水溶液中生長晶片尺寸的混合鈣鈦礦多晶體。有厘米尺寸的單晶混合鈣鈦礦晶片生長在鈣鈦礦前體溶液的頂部表面。除了節(jié)省原材料外，這種方法還具有前所未有的優(yōu)點，例如易于調(diào)節(jié)厚度和晶體快速生長。這些晶體晶片顯示出高結(jié)晶度，更寬的光吸收和長的載流子復(fù)合壽命，與塊狀單晶相當。由這些晶體制成的橫向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出5.9％的紀錄效率。
Fast Growth of Thin MAPbI3 CrystalWafers on Aqueous Solution Surface for Efficient Lateral-Structure PerovskiteSolar Cells. Advanced Functional Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adfm.201807707
https://doi.org/10.1002/adfm.201807707
黃勁松教授簡介：
美國北卡羅萊納州立大學和內(nèi)布拉斯加大學林肯分校教授。于2007年獲得加州大學洛杉磯分校材料科學與工程博士學位。其后在美國Agiltron公司先后以研究科學家、資深研究科學家身份工作2 年。于2009 年就職于內(nèi)布拉斯加大學林肯分校，2014年提前破格提升副教授，2016年破格提升教授。當前，他是該校Susan J. Rosowski講座教授、材料工程博士學科主席以及William E.Brooks Engineering領(lǐng)導(dǎo)小組成員。
黃勁松博士在有機薄膜太陽能電池（有機-無機鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池）、光電探測器領(lǐng)域取得了舉世矚目的突出科研成績。迄今他在學術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇、授權(quán)美國專利10項、撰寫1本專著和4本專著章節(jié)。近五年以通訊作者身份發(fā)表 Science 3篇 ，Nature子刊Nature Materials 、 Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Communications 十幾篇，以及 Science Advance、Advanced Materials、Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials數(shù)20篇。多篇論文被Nature Materials作為重點介紹，或作為雜志封面文章推薦。所發(fā)論文引用次數(shù)超過29000次，h因子為71，并入選2015年美國湯森路透全球高被引科學家（材料方向）（HighlyCitedResearcher）。
他目前的主要學術(shù)兼職包括：Scientific Report副編委、Energy ConversionMaterials編輯和材料研究學會分會主席(2012, 2015, 2017) 。近年來他獲得多個極具影響力的榮譽，包括美國自然科學基金杰青（2013）（NSF CAREER)， 美國國防部杰青（2011） (DODYIP) 、Edgerton創(chuàng)新獎（超快相機發(fā)明者創(chuàng)立）（2012）。
課題組主頁：
http://www.huanggroup.unl.edu/
