Edward H. Sargent教授是國際光子學和材料學領域著名學者，是膠體量子點光探測領域的開拓者和量子點PN結太陽能電池的發明者。課題組主要研究方向有量子點太陽能電池、鈣鈦礦光電器件、光電催化和納米傳感器件。
2020年剛剛過了3個月，課題組已經在Science (2篇), Nature Catalysis, Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, JACS,Adv. Mater.等國際頂級學術期刊發表多篇論文。納米人編輯部再次及時將研究成果整理匯總以饗讀者。
下面，我們簡要介紹Edward H. Sargent教授課題組2020年以來16篇重要成果，供大家交流學習。
以下篇幅分3個部分展開
Part Ⅰ 鈣鈦礦光伏器件
Part Ⅱ 量子點
Part Ⅲ 光電催化
Part Ⅰ 鈣鈦礦光伏器件
1. Science：25.7%效率！高效鈣鈦礦硅-串聯太陽能電池
堆疊具有較小帶隙的太陽能電池以形成雙結膜，這有可能克服光伏電池的單結Shockley-Queisser極限。固溶鈣鈦礦的快速發展帶來了鈣鈦礦單結效率超過25％。但是，該工藝尚未能夠與行業相關的紋理化晶體硅太陽能電池進行單片集成。鑒于此，Edward H. Sargent 和阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf團隊報道了將溶液處理的微米級鈣鈦礦頂部電池與完全紋理化的硅異質結底部電池相結合的疊層電池。
為了克服微米級鈣鈦礦中電荷收集的挑戰，將硅錐體底部的耗盡寬度增加了三倍。此外，通過將自限鈍化劑（1-丁硫醇）錨固在鈣鈦礦表面上，增加了擴散長度并進一步抑制了相偏析。
這些綜合的增強功能使鈣鈦礦硅串聯太陽能電池的獨立認證效率達到了25.7％。這些器件在85°C下進行400小時的熱穩定性測試后以及在40°C下在最大功率點跟蹤400小時后，其性能損失可忽略不計。
YiHou et al. Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite ontextured crystalline silicon, Science, 2020.
DOI:10.1126/science.aaz3691.
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135
2. Nat. Commun.：增強的光路和電子擴散長度可實現高效鈣鈦礦疊層電池
基于金屬鹵化物鈣鈦礦子電池的疊層太陽能電池提供了超過單結極限的功率轉換效率（PCE）的途徑。然而，由于光子收集效率低下，據報道，疊層電池的PCE值目前仍低于其潛力。
EdwardH. Sargent團隊通過保持鈣鈦礦薄膜的光滑形態來增加光程長度，同時使用一種增強溶劑萃取的方法來增加鈣鈦礦厚度。這些薄膜的載流子收集受到電子擴散長度不足的限制。進一步發現，添加路易斯堿會降低陷阱密度，并使電子擴散長度增加到2.3 μm，從而使1.63 eV半透明鈣鈦礦電池的平均PCE達到19％，平均近紅外透射率為85％。。
鈣鈦礦頂部電池與溶液處理的膠體量子點/有機雜化底部電池相結合產生的PCE為24％；將鈣鈦礦電池與硅底部電池耦合時，PCE為28.2％。
Chen,B., Baek, S., Hou, Y. et al. Enhanced optical path and electron diffusionlength enable high-efficiency perovskite tandems. Nat. Commun., 2020.
DOI：10.1038/s41467-020-15077-3.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15077-3
3. Nat. Energy: 23%記錄效率！倒置鈣鈦礦太陽能電池
倒置鈣鈦礦太陽能電池已經獲得了越來越多的關注，因為它們具有較長的使用壽命。但是，與正置鈣鈦礦太陽能電池相比，它們的效率顯著降低。阿卜杜拉國王科技大學Osman M. Bakr和Edward H. Sargent 團隊使用痕量的具有不同鏈長的表面錨定烷基胺配體（AAL）作為晶粒和界面改性劑來減少這種效率差距。
研究表明，添加到前體溶液中的長鏈AAL抑制了非輻射載流子的復合并改善了混合陽離子混合鹵化物鈣鈦礦薄膜的光電性能。所得的AAL表面改性膜表現出突出的（100）晶面取向和較低的陷阱態密度以及增強的載流子遷移率和擴散長度。
器件獲得了認證的22.3％穩定效率（對于實驗室測量的最高器件效率為23.0％）。該器件在AM1.5G照明下以最大功率工作超過1,000 h，而不會損失效率。
Managing grains and interfacesvia ligand anchoring enables 22.3%-efficiency inverted perovskite solar cells，Nature Energy 2020.
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0538-4
4. Adv. Mater.：超薄2D合鈣鈦礦層提高混合錫-鉛鈣鈦礦太陽能電池的性能
窄帶隙(Eg≈1.2 eV)混合錫-鉛(Sn-Pb)鹵化物鈣鈦礦的發展使得全鈣鈦礦串聯太陽能電池成為可能。盡管純鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)在效率和穩定性方面同時取得了進步，但在Sn-Pb太陽能電池中實現這一關鍵結合仍然是一個挑戰。
基于此，EdwardH. Sargent和南京大學譚海仁團隊提出一種將Sn-Pb鈣鈦礦顆粒與超薄層鈣鈦礦結合的方法，可以克服效率-穩定性之間的權衡。通過在反溶劑中直接引入苯乙銨配體來實現鈣鈦礦膜表面和晶界處的缺陷鈍化，這不僅改善了器件的工作穩定性，還避免了阻礙電荷傳輸的層狀鈣鈦礦的過度形成。
Sn-PbPSCs的填充系數為79％，認證的能量轉換效率（PCE）為18.95%，是目前報道的Sn-PbPSCs中的最高值。使用該方法組裝成的器件，在AM1.5G全光照射下，與未鈍化的Sn-Pb PSC相比，其工作壽命可以提高200倍，此外，在經過濾波的AM1.5G照明下，仍可以實現長達200小時的工作時間，而性能不會下降。
MingyangWei et al. Combining Efficiency and Stability in Mixed Tin–Lead Perovskite Solar Cellsby Capping Grains with an Ultrathin 2D Layer. AdvancedMaterials. 2020.
DOI: 10.1002/adma.201907058.
https://doi.org/10.1002/adma.201907058
5. Nat. Commun.：通過電荷傳輸層調節鈣鈦礦薄膜中的應變
退火后殘留在鈣鈦礦薄膜中的熱誘導拉伸應變會導致離子遷移增加，并且是這些材料不穩定的已知因素。先前報道的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的應變調節方法已利用具有高熱膨脹系數的基底，從而限制了鈣鈦礦的加工溫度并降低了器件效率。Edward H. Sargent團隊通過從空穴傳輸層引入外部壓縮應變來補償殘余拉伸應變。
通過使用具有高熱膨脹系數的空穴傳輸層，通過提高空穴傳輸層的加工溫度來補償PSC中的拉伸應變。研究發現壓縮應變增加了離子遷移的活化能，從而改善了鈣鈦礦薄膜的穩定性。對于壓縮應變的PSC而言，效率為16.4％；在85 °C加熱1000小時后，仍保留了96％的初始效率。
Xue,D., Hou, Y., Liu, S. et al. Regulating strain in perovskite thin films throughcharge-transport layers. Nat. Commun. 11, 1514 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-15338-1
6. ACS Energy Letter: 抑制錫基鈣鈦礦薄膜的Sn(II)氧化問題
目前，大多數的鈣鈦礦材料的中心金屬用到的為Pb(II)，但是由于Pb(II)具有高毒性和易降解性，導致其難以實現大量應用。目前人們認為將Pb用其他種類的金屬替代，提高光伏性能是非常重要的途徑。最近的高通量計算中顯示，各種ABX3型鈣鈦礦材料中，Pb和Sn兩種材料是效果最好的光伏材料。因此，將Pb替代為Sn是非常有希望的。但是，Sn(II)容易發生氧化反應，生成Sn(IV)的化合物。Sn(IV)中心體現了電荷復合能力，會導致太陽能電池中效率大量損失。人們開發了多種方法緩解Sn(II)的氧化，比如摻雜、還原氛圍、反歧化（comproportionation）策略等。通過這些方法，目前卻只能達到Pb基太陽能電池效率的一半。
美國西北大學Kanatzidis和Edward H. Sargent團隊對Sn(II)基太陽能電池中存在的氧化問題進行報道。DMSO能夠在150 ℃的CH3NH3I和PbI2混合溶液中，將甲胺陽離子轉化為二甲胺陽離子。DMSO在酸性溶液中對Sn(II)具有氧化能力，因此在鈣鈦礦溶液中，DMSO能夠將Sn(II)氧化。將碘化甲咪和SnI2溶解在DMSO，在惰性氣氛中于120 ℃加熱5小時。發現溶液顏色發生明顯改變，顏色變得更深，說明了反應中生成Sn(IV)。通過1H NMR，X射線XAFS測試方法，作者發現DMSO/Sn(II)通過還原反應，生成了二甲基硫和Sn(IV)。
DMSO能夠在100 ℃附近將Sn(II)氧化，并且極少量的Sn(IV)就可以讓電池的工作電壓明顯降低（< 0.5 V，比0.9 V的理論值要低很多）。因此開發不含DMSO體系合成Sn(II)基鈣鈦礦是關鍵點。
Conventional Solvent Oxidizes Sn(II) inPerovskite Inks, ACS Energy Lett. 20205.
DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00402.
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.0c00402
7. Adv. Sci.：最高純度紅光！錫基鈣鈦礦發光二極管
基于鈣鈦礦的發光二極管（PeLED）現在正接近外部量子效率（EQE）的上限；然而，由于鉛的依賴和色純度不足，它們的應用目前受到限制。2020年，國際照明委員會(CIE)要求紅色發光體的坐標為（0.708，0.292），但目前的鈣鈦礦器件只能達到（0.71，0.28）。鑒于此，多倫多大學Edward H. Sargent和Zheng‐Hong Lu團隊報道了無鉛PeLED的色坐標為（0.706，0.294），是紅色PeLED中報告的最高純度。
根據溫度和施加電勢對發射光譜的變化進行了評估，發現在低溫下發射紅移小于3 nm，在工作電壓下紅移小于0.3 nm V-1。進一步確定了Sn的主要氧化途徑，并借助H3PO2抑制了其氧化。
該策略通過適度的還原性能以及絡合物的形成（增加了對Sn氧化的能量屏障），防止了薄膜氧化。H3PO2還可在成膜過程中促進晶體生長，從而改善膜質量。PeLED的EQE為0.3％，亮度為70 cd m-2。這是報道的無鉛紅色發光PeLED的最高效率。
HongyanLiang et al. High Color Purity Lead‐Free Perovskite Light‐Emitting Diodes via SnStabilization，Advanced Science, 2020.
DOI：10.1002/advs.201903213.
https://doi.org/10.1002/advs.201903213
8.JACS: 光化學交聯量子阱配體改善鈣鈦礦光伏器件的穩定性
鈣鈦礦太陽能電池的部署將取決于這些材料內的有源層和界面的操作和環境穩定性的進一步進展。低維鈣鈦礦，也稱為鈣鈦礦量子阱（PQWs），利用自身的有機配體保護鈣鈦礦晶格可免于降解，并可改善器件穩定性;在異質結構中結合2D和3D鈣鈦礦已被證明可以實現充分利用3D有源層的高效率和2D頂層的穩定性。先前的PQW依賴于配體的疏水性有機部分之間相對弱的內部范德華鍵合。EdwardH. Sargent團隊使用配體4-乙烯基芐基銨在3D鈣鈦礦層上形成良好有序的PQW。使用UV光活化配體的乙烯基，其在PQW之間光化學形成新的共價鍵。
紫外交聯的2D/3D器件顯示出改善的操作穩定性以及改善的空氣中長期黑暗穩定性：它們在2300小時的暗老化后保持其初始效率的90％。UV交聯的PQW和2D/3D界面可降低器件遲滯并將開路電壓提高至1.20 V，從而實現更高效的器件（PCE高達20.4％）。這項工作突出了利用PQW配體的化學反應性來定制PQW界面的分子特性，以改善2D/3D鈣鈦礦光伏電池的穩定性和性能。
Photochemically Crosslinked Quantum Well Ligandsfor 2D/3D Perovskite Photovoltaics with Improved Photovoltageand Stability. JACS, 2019.
DOI: 10.1021/jacs.9b05083.
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b05083?rand=q0dwvwyi
9. Joule：高效鈣鈦礦型太陽能聚光器的溶劑-溶劑配位工程
發光太陽能集中器（LSC）可以大面積收集與建筑物集成光伏相關的太陽光。由于鈣鈦礦的光電特性以及使用多量子阱（MQW）結構可獲得的大斯托克斯位移，降低尺寸的金屬鹵化物鈣鈦礦納米片（PNPL）成為低損耗大面積LSC的候選者。使用溴基PNPL的LSC已被證明；然而，溴基鈣鈦礦的帶隙限制了吸收范圍。
EdwardH. Sargent團隊采用基于碘的PNPL允許更廣泛的吸收，設計了PbIx2-x前體復合物的化學結構，適當的MQW分布才能實現高效發光。
通過控制前體溶液的極性和Lewis堿度，可以調節溶劑-Pb2+配位并合成具有均勻MQW分布的PNPL。薄膜PLQY（光致發光量子產率）達到56％，光散射效率為2.0％，與10×10 cm LSC相比，與先前報道的最佳室溫加工鈣鈦礦LSC相比，提高了1.3倍。
ZiliangLi et al. Solvent-Solute Coordination Engineering for Efficient PerovskiteLuminescent Solar Concentrators，Joule, 2020.
DOI:10.1016/j.joule.2020.01.003.
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30030-1?rss=yes
10. Adv. Sci.：混合鈣鈦礦中的非均相過飽和
基于混合鹵化鈣鈦礦的薄膜太陽能電池已經實現了超過24％的認證功率轉換效率，已接近晶體硅。這激發了對決定其性能的機制的深入研究。已經提出了孿晶缺陷位點作為鈣鈦礦中陷阱的來源，但是它們的起源和對光伏性能的影響仍然不清楚。
鑒于此，多倫多大學Edward H. Sargent 和國立清華大學Lih Juann Chen團隊對其進行了深入研究。孿晶缺陷（通過透射電子顯微鏡和X射線衍射觀察到）與鈣鈦礦中添加的抗溶劑量相關，并且性能最高的鈣鈦礦光伏器件中的孿晶缺陷得到抑制。討論了異質過飽和成核作用，這是有效的基于鈣鈦礦的光電器件的貢獻者。
ChihShan Tan et al. Heterogeneous Supersaturation in Mixed Perovskites，Advanced Science, 2020.
DOI:10.1002/advs.201903166.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903166
11. Nat. Commun.: 邊緣穩定的低維鈣鈦礦
尺寸減小的鈣鈦礦由于其有效的發光、色純度、可調節的帶隙和結構多樣性而成為有吸引力的發光材料。鈣鈦礦發光二極管的主要限制是其有限的工作穩定性。
多倫多大學Edward H. Sargent和Zheng-Hong Lu團隊證明了快速光降解是由邊緣引發的光氧化作用引起的，其中氧化過程是從納米片邊緣開始，并產生超氧化物的光生和電注入載體驅動。
鑒于此，研究人員開發了一種邊緣穩鈍化策略，其中氧化膦在鈣鈦礦結晶過程中鈍化了不飽和鉛位。通過這種方法，合成了尺寸減小的鈣鈦礦，該鈣鈦礦在空氣環境中連續照射時表現出97±3％的光致發光量子產率和穩定性超過300h。實現了在1000 cd m?2時具有14％的峰值外部量子效率（EQE）的綠色發光器件；其最大亮度為4.5×104 cd/ m-2（對應于5％的EQE）；并且在4000 cd m?2時，工作半衰期為3.5 h。
Edgestabilization in reduced-dimensional perovskites, Nat. Commun. 2020.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13944-2
12. JACS: 氯化物插入固定，藍光鈣鈦礦LED更穩、更亮！
光譜穩定性、光譜寬化和器件穩定性是藍色鈣鈦礦LED急需解決的問題。鑒于此，多倫多大學Edward H. Sargent等人通過氯化物插入固定的方法實現了具有窄帶（線寬18 nm）和光譜穩定（無波長偏移）的藍色鈣鈦礦LED。
在溴基鈣鈦礦的基礎上，采用有機氯化物進行動態處理，將氯化物插入并原位固定以使藍移并穩定光譜。天藍色LED （489 nm）的亮度超過5100 cd / m2，在1500 cd / m2條件下的半衰期為51分鐘。通過器件結構的優化，479 nm處的EQE提升到了5.2％，在100 cd/ m2時的半衰期為90分鐘。
DongxinMa, et al. Chloride Insertion–Immobilization Enables Bright, Narrowband, and StableBlue-Emitting Perovskite Diodes. JACS 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b12323.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12323
Part Ⅱ 量子點
13. Adv. Mater.：一種用于高效膠體量子點太陽能電池的化學正交空穴傳輸層
膠體量子點(CQDs)因其溶液易處理和帶隙可調諧而備受關注。CQD光電器件性能的提高需要對器件材料棧中各層的性能進行精細控制。這對目前最好的CQD太陽能電池來說極具有挑戰性，因為這些電池主要采用p型空穴傳輸層(HTL)，在CQD活性層的頂部使用1,2-乙醇二硫醇(EDT)配體交換實現。研究表明，EDT的高反應活性會導致活性層發生嚴重的化學腐蝕，從而導致電荷提取能力的退化。將元素映射與CQD太陽能電池的空間電荷收集效率相結合，證明了主導現有CQD光伏器件性能的關鍵材料接口。
多倫多大學的Edward H. Sargent等人開發一種由丙二酸交聯CQDs組成的化學正交HTL。新的交聯策略保留了活性層的表面化學性質，同時提供了所需的有效電荷提取。新的HTL可使活性層中的電荷載體擴散長度增加了1.4倍；因此，與EDT標準電池(12.2%)相比，功率轉換效率提高到13.0%。
Biondiet al., A Chemically Orthogonal Hole Transport Layer for Efficient
ColloidalQuantum Dot Solar Cells. Adv. Mater. 2020, 1906199
DOI:10.1002/adma.201906199.
https://doi.org/10.1002/adma.201906199
Part Ⅲ 光電催化
14. Science：高效電解CO2生成多碳產物
CO2電解轉化為有價值的燃料和原料是CO2轉化的有效途徑。然而，由于氣體通過液體電解質擴散到催化劑表面的限制，導致產率往往不高。
有鑒于此，加拿大多倫多大學的Edward H. Sargent 和David Sinton團隊設計了一種新型催化劑：離聚物本體異質結（CIBH）結構。CIBH包含金屬和具有疏水、親水功能的超細離聚物層，這種新型的催化劑可將氣體，離子和電子的傳輸解耦，氣體和離子的傳輸范圍從數十納米擴展到微米級。
通過此策略，研究人員在7 M KOH電解液（pH≈15）中，在銅上實現了CO2的高效電解還原。在45％的陰極能量效率下，乙烯分流密度可達1.3 A/cm2。
CO2electrolysis to multicarbon products at activities greater than 1 A cm?2， Science，2020
DOI:10.1126/science.aay4217.
https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661
15. Nature Catalysis：調節OH結合能實現乙烯選擇性電化學氧化為乙二醇
開發直接由可再生電力提供動力的高效的電化學方法用于制備化學商品具有重大意義。其中一種至關重要的化學品是乙二醇，它可用作防凍劑和聚合物前體，每年的消費量約為2000萬噸。在由乙烯氧化制乙二醇的過程中，需要將兩個OH基團連續轉移至乙烯，這其中可能涉及*C2H4OH中間體。因此，OH的結合能將是該過程中的關鍵因素。此外，一旦形成乙二醇，它很可能會通過其氧原子吸附到催化劑表面，因此，調節OH結合能可以使其易于解吸，從而避免不必要的進一步氧化。
多倫多大學Edward H.Sargent團隊報道了一種在環境溫度和壓力下，在水性介質中將乙烯選擇性部分氧化為乙二醇的一步式電化學路線。 作者認為，催化劑與OH結合能的調控對促進OH轉移至*C2H4OH形成乙二醇至關重要。計算研究表明，金摻雜的鈀催化劑(3.2 at.%Au)可以有效地執行此步驟，并且，作者通過實驗發現它對乙二醇具有80％的高法拉第效率，并在連續運行100個小時后仍能保持其性能。該工作為在溫和條件下設計水性介質中的其它陽極部分氧化反應提供了有用的參考，并指明了化學工業中實現電氣化的一種途徑。
Yanwei Lum, et al. Tuning OH binding energyenables selective electrochemical oxidation of ethylene to ethyleneglycol. Nat. Catal., 2020
DOI: 10.1038/s41929-019-0386-4
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4
16.JACS：通過調節中間吸附，提高銅鎳合金上的硝酸鹽對氨的活性
將NO3?電化學轉化為氨（NH3）可以循環利用氮，并為生產NH3提供了一條比氮氣更有價值的途徑。但由于缺乏一個有關調節催化劑結構以提高催化活性的機制，NO3?電還原的發展仍然受到重重阻礙。
有鑒于此，EdwardH. Sargent團隊證明了在Cu50Ni50合金催化劑上硝酸鹽還原反應（NO3?RR）的性能得到了增強。這項工作提出了中間吸附能與CuNi催化劑上NO3?RR活性之間的關系，通過用Ni代替50％的Cu，能夠顯著提高了NO3?還原為NH3的性能。性能的提升包括半波電位上移了0.12 V，實現最佳NH3法拉第效率（FE）的過電位降低了0.2 V。在堿性條件下（pH = 14），與0 V（vs. RHE）的純銅相比，Cu50Ni50合金催化劑的NO3?RR活性提高了6倍。
電子結構研究表明，d帶中心向費米能級上移，這一特征增強了中間吸附能。通過DFT計算驗證了這種關系，由于NO3?在CuNi表面的吸附能增強，降低了過電位，發現引入Ni原子會使電位相關階躍（PDS）從NO3?吸附轉變為*NH2加氫，從而確定了NO3?RR-NH3的路徑。催化劑電子結構與NO3?RR活性之間的這種相關性為進一步開發NO3?RR催化劑提供了設計平臺。
YuhangWang et al. Enhanced nitrate-to-ammonia activity on copper-nickel alloys viatuning of intermediate adsorption. J. Am. Chem. Soc. 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b13347.
https://doi.org/10.1021/jacs.9b13347
Edward H. Sargent教授簡介
Edward H. Sargent教授是多倫多大學電子與計算機工程系教授，多倫多大學副校長、加拿大科技部納米技術分部主席、加拿大皇家科學院院士、加拿大工程院院士。同時也是InVisage Technologies創始人，Xagenic共同創始人，AAAS會士，IEEE會士，ACS Photonics副主編。
他在Nature和Science等國際頂級期刊發表論文400多篇，被引用超過39000次。
課題組主頁：https://light.utoronto.ca/
（部分圖片及簡介，來源于網絡及Edward H.Sargent教授課題組主頁）
