納米人編輯部對2019年國內(nèi)外重要科研團(tuán)隊的代表性重要成果進(jìn)行了梳理，今天，我們要介紹的是韓國首爾成均館大學(xué)的Nam-Gyu Park教授課題組。
Nam-GyuPark教授因共同發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用鈣鈦礦材料實現(xiàn)有效的能源轉(zhuǎn)換，榮獲化學(xué)領(lǐng)域2017年度“引文桂冠獎”。2017年，科睿唯安網(wǎng)站預(yù)測Nam-GyuPark是諾貝爾物理學(xué)獎獲得者之一。
Nam-GyuPark課題組一直致力于高效介觀太陽能電池研究。2012年首次報道了效率接近10%的全固態(tài)有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池，被認(rèn)為是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷程中里程碑式的工作( Scientific reports, 2012, 2: 591)，單篇被引用超過5200次。
下面，我們簡要介紹Nam-Gyu Park教授課題組2019年部分重要成果，供大家交流學(xué)習(xí)。（僅限于通訊作者文章，以online時間為準(zhǔn)）
1、Solar RRL：NiO薄膜中氧分壓對倒置鈣鈦礦太陽電池的影響
Nam-Gyu Park課題組報道了退火氣氛和氧分壓對退火NiO膜的影響以實現(xiàn)高效倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSC）。將溶液法NiO膜沉積在FTO上，并在不同的空氣，O2，N2和Ar氣氛下退火。使用空氣和O2退火的NiO薄膜的器件顯示出比N2和Ar退火的更好的光伏性能。
氧過量條件導(dǎo)致更多的p型特性以及更好的電學(xué)和界面性質(zhì)，從而產(chǎn)生更高的光伏性能。當(dāng)比較空氣和O2條件時，空氣退火的NiO薄膜顯示出較好的效率（空氣為15.68％，O2為14.93％），這表明氧分壓的重要性。通過仔細(xì)改變氧含量，在O2 /(O2+N2)比率為30％退火的NiO薄膜實現(xiàn)最佳光伏性能，PCE為16.32％。
Importance of Oxygen Partial Pressure inAnnealing NiOx Film for High Efficiency Inverted Perovskite Solar Cells. SolarRRL, 2019.
DOI: 10.1002/solr.201800339
https://doi.org/10.1002/solr.201800339
2、AM綜述：鈣鈦礦太陽能電池中的回滯現(xiàn)象
鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中的電流密度電壓（J-V）回滯是一個關(guān)鍵問題，因為它與效率和穩(wěn)定性有關(guān)。Nam-GyuPark課題組根據(jù)正置介孔和平面結(jié)構(gòu)中的鈣鈦礦組成研究了J-V的滯后行為。此外，提出了針對無回滯PSC的方法。根據(jù)組成，在J-V曲線形狀方面存在回滯的特定趨勢。
離子遷移與界面附近的非輻射復(fù)合相結(jié)合，在產(chǎn)生滯后現(xiàn)象中起著至關(guān)重要的作用。界面工程是減少滯后的有效方法；然而，體缺陷工程是消除滯后的最有希望的方法。無論鈣鈦礦組成如何，KI摻雜被證明是無滯后PSC的通用方法。最后提出了在電子傳輸層和空穴傳輸層附近的鈣鈦礦膜的調(diào)控對于實現(xiàn)無回滯的PSC和高效率是至關(guān)重要的。
On the Current–Voltage Hysteresis in PerovskiteSolar Cells: Dependence on Perovskite Composition and Methods to RemoveHysteresis. Adv. Mater.
Doi:10.1002/adma.201805214.
https://doi.org/10.1002/adma.201805214
3、ACS Energy Lett.：甲胺氣-鈣鈦礦簇助力大面積刮涂成膜！
對于規(guī)模化的鈣鈦礦太陽能電池（PSC），在大面積（> 100 cm2）上沉積均勻和高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜是先決條件。用于小面積旋涂的常規(guī)溶液通常含有高沸點的極性非質(zhì)子溶劑，由于極性非質(zhì)子溶劑與路易斯酸性PbI2或鈣鈦礦之間的強(qiáng)相互作用，無法控制和緩慢的干燥過程而難以用于大面積刮涂。因此，前體溶液在大面積涂層的成功中起著至關(guān)重要的作用。
Nam-GyuPark課題組報道了適用于大面積鈣鈦礦薄膜的前軀體溶液。通過甲胺氣體介導(dǎo)的固液轉(zhuǎn)化制備的溶液含有預(yù)先形成的鈣鈦礦簇。在100 cm2的面積上通過刮涂制備出的CH3NH3PbI3薄膜，顯示出四方/立方超晶格結(jié)構(gòu)，具有高度優(yōu)選的取向。最佳器件的效率為17.82％。
Perovskite Cluster-Contained Solution forScalable D-bar Coating Toward High Throughput Perovskite Solar Cells. ACSEnergy Lett.
DOI:10.1021/acsenergylett.9b00042. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00042
4、AM：21％效率！咪唑乙酸鹽酸鹽助力鈣鈦礦太陽能電池
適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)連接體誘導(dǎo)的異質(zhì)結(jié)界面處的化學(xué)相互作用對于高效率、無滯后和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）是至關(guān)重要的。Nam-Gyu Park課題組通過4-咪唑乙酸鹽酸鹽（ImAcHCl）進(jìn)行有效界面工程，通過咪唑鎓陽離子與鈣鈦礦的靜電相互作用在SnO2和鈣鈦礦之間提供化學(xué)橋接。此外，ImAcHCl中的氯陰離子在提高鈣鈦礦薄膜結(jié)晶度的結(jié)晶度方面起作用。
將ImAcHCl引入SnO2可重新調(diào)整導(dǎo)帶和價帶的位置，減少非輻射復(fù)合，并改善載流子壽命。因此，效率分別在表面改性前后從18.60％±0.50％增加到20.22％±0.34％，這主要是由于1.084±0.012V至1.143±0.009 V的增強(qiáng)電壓所致。通過0.1 mg mL-1 ImAcHCl處理可獲得21％的最佳效率。此外，使用ImAcHCl改性SnO2的未封裝器件顯示出更好的熱穩(wěn)定性和水分穩(wěn)定性。
MultifunctionalChemical Linker Imidazoleacetic Acid Hydrochloride for 21% Efficient and StablePlanar Perovskite Solar Cells，Adv. Mater. 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902902
5、Joule綜述: 柔性鈣鈦礦太陽能電池
柔性PSC（F-PSC）的重量輕和靈活性允許其在諸如便攜式電動充電器，電子紡織品，大型工業(yè)屋頂和無人駕駛飛行器）的電源等領(lǐng)域。然而，與剛性PSC相比，F(xiàn)-PSC的效率低，即F-PSC的最高效率為19.11％，這明顯低于剛性細(xì)器件的效率。此外，剛性鈣鈦礦模塊的世界最佳模塊效率（17.18％，30 cm2）比柔性鈣鈦礦模塊效率高（15.18％，30 cm2）。與剛性PSC相比，F(xiàn)-PSC沒有表現(xiàn)出更好的長期穩(wěn)定性。
韓國成均館大學(xué)Nam-Gyu Park，Hyun Suk Jung和漢陽大學(xué)Min Jae Ko等人總結(jié)了F-PSC在效率和穩(wěn)定性相對較低方面的基本挑戰(zhàn)以及最新的研究進(jìn)展。此外，還介紹了目前F-PSC商業(yè)化的嘗試。
FlexiblePerovskite Solar Cells, Joule, 2019
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119303678
6、ACS Energy Lett.: 甲氧基硅烷交聯(lián)劑提高鈣鈦礦電池性能
實現(xiàn)具有最小非輻射復(fù)合損失的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜對于進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的效率（PCE）至關(guān)重要。此外，PSC的不穩(wěn)定性仍然是其大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。然而，很難實現(xiàn)PCE和穩(wěn)定性的同時增強(qiáng)。
鑒于此，Nam-Gyu Park課題組展示了一種有效且可重復(fù)的多功能添加劑工程策略，通過將由不同端基官能化的甲氧基硅烷交聯(lián)劑，中等電子給體-SH，弱電子給體-CH3和強(qiáng)吸電子-CN分別引入PbI2前體溶液中，進(jìn)而沉積鈣鈦礦。研究表明，官能團(tuán)在器件性能中起著至關(guān)重要的作用。在引入含有-SH官能團(tuán)的（3-巰基丙基）三甲氧基硅烷（MPTS）后，PCE從18.4％（對照組）增加到20.8％，而3-氰基丙基三乙氧基硅烷（CPTS）含有-CN基團(tuán)會降低整體光伏性能。PbI2和MPTS之間的路易斯酸堿相互作用控制晶體生長，使得晶粒尺寸增加。此外，發(fā)現(xiàn)MPTS中的-SH有效地鈍化缺陷，導(dǎo)致更長的載流子壽命。最后，由于交聯(lián)硅氧烷網(wǎng)絡(luò)作為晶界的有效保護(hù)層的形成，器件的熱穩(wěn)定性和水分穩(wěn)定性得到明顯改善。該研究為多功能添加劑工程提供了指導(dǎo)，以同時實現(xiàn)高PCE和長期穩(wěn)定性。
Importance of Functional Group in Cross-linking MethoxysilaneAdditives for High Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells, ACS EnergyLett.2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b01356
7、ACS Energy Lett.: 2-甲氧基乙醇輔助鈣鈦礦光伏模組，19.44％效率！
Nam-Gyu Park課題組通過前驅(qū)體工程，結(jié)合氣刀輔助棒涂布機(jī)制備大面積鈣鈦礦薄膜。在由2-甲氧基乙醇（2ME）中的甲基碘化銨（MAI）和碘化鉛（PbI2）組成的母液中化學(xué)計量加入乙酸鉛（PbAc2），得到MAPbI3和副產(chǎn)物甲基銨酸鹽（MAAc）。
可以在MAAc存在下控制晶體生長，同時干燥濕膜。平均效率（PCE）達(dá)到15.14％。當(dāng)在含有PbAc2的前體溶液中加入0.12 mol％碘化胍（GAI）時，小面積器件的PCE為19.44％，載流子壽命進(jìn)一步提高了約46％，制備的大面積（46 cm2，有效面積為16 cm2）鈣鈦礦膜的模組PCE為13.85％。
PrecursorEngineering for Large-area Perovskite Solar Cell with >19% Efficiency, ACSEnergy Lett.2019
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsenergylett.9b01735?rand=qwav2bkz
8、AEM: 穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的化學(xué)方法
化學(xué)鍵不僅決定材料的光電性能，而且決定材料的固有和非固有穩(wěn)定性。成均館大學(xué)Nam-Gyu Park和Jin-WookLee 團(tuán)隊基于鈣鈦礦材料與鈣鈦礦材料獨特的化學(xué)鍵合性質(zhì)之間的相關(guān)性，回顧了鈣鈦礦材料固有和外部不穩(wěn)定性的原因。國際電工委員會針對商業(yè)化的光伏模塊建立了許多關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定性測試。
基于這些程序，可以確定在測試程序過程中可能出現(xiàn)的材料降解的可能原因和相關(guān)機(jī)理，并就其化學(xué)鍵進(jìn)行了討論。基于對關(guān)鍵原因的理解，作者總結(jié)了緩解潛在原因以增強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的策略。最先進(jìn)的鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性意味著需要開發(fā)改進(jìn)的穩(wěn)定性測試協(xié)議，以進(jìn)入商業(yè)化的下一階段。
Chemical Approaches forStabilizing Perovskite Solar Cells. AEM 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201903249.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903249
9、AEM: 面向大面積，穩(wěn)定和高效鈣鈦礦太陽能電池的研究方向
在2012年發(fā)現(xiàn)的效率僅有9.7％，穩(wěn)定性只有500小時的固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池（PSC），引發(fā)了鈣鈦礦光伏技術(shù)的研究浪潮。僅僅7年后，2019年就獲得了25.2％的認(rèn)證效率（PCE）。自2012年以來，PSC的出版物呈指數(shù)增長，截至2019年8月，出版物的總數(shù)達(dá)到13200多種。PCE的提升主要得益于器件結(jié)構(gòu)工程以及鈣鈦礦組分工程。使用疏水性材料或2D/3D概念進(jìn)行界面工程可以顯著改善長期穩(wěn)定性。盡管小面積電池顯示出極高的效率，但朝著商業(yè)化的方向需要放大技術(shù)。
Nam-Gyu Park課題組在綜述文章中強(qiáng)調(diào)了向大面積，穩(wěn)定，高效的PSC的研究方向。對于大面積鈣鈦礦層，前體溶液與涂層方法同樣重要，并闡述了前體工程和前軀體溶液的配方。而對于無回滯，穩(wěn)定和高效的PSC，他認(rèn)為界面工程是最好的方法之一，因為可以有效地鈍化缺陷，從而有效地減少非輻射復(fù)合。
Research Direction toward Scalable, Stable,and High Efficiency Perovskite Solar Cells. AEM 2019.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903106
除此之外，Nam-Gyu Park教授還在添加劑、非鉛以及發(fā)光等研究方向有一些報道。感興趣的讀者可以自行檢索查閱。
Nam-Gyu Park教授簡介
Nam-Gyu Park教授2009年以全職教授身份加入韓國成均館大學(xué)。自1997年以來，一直致力于高效介觀太陽能電池研究，被業(yè)界公認(rèn)為是該領(lǐng)域最重要的三位關(guān)鍵科學(xué)家之一。2012年首次報道了效率接近10%的全固態(tài)有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池，被認(rèn)為是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷程中里程碑式的工作，隨后一直引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展，已在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy and Nature Communications等國際著名期刊發(fā)表論文230多篇，被SCI引用四萬余次。
