納米人編輯部對2018年國內(nèi)外重要科研團(tuán)隊(duì)的代表性重要成果進(jìn)行了梳理，今天，我們要介紹的是加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）楊陽課題組。
楊陽教授課題組在半導(dǎo)體材料與器件方面有著20余年的研究經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了該領(lǐng)域的多項(xiàng)世界紀(jì)錄。主要研究方向?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px;">有機(jī)太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦發(fā)光二極管，生物傳感器，薄膜晶體管。
下面，我們簡要介紹楊陽教授課題組2018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(shí)間為準(zhǔn)）。
鈣鈦礦太陽能電池
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(shí)際應(yīng)用的重要瓶頸和關(guān)鍵問題在于如何實(shí)現(xiàn)低成本、大面積、高效率器件及解決穩(wěn)定性的難題。2018年，楊陽教授課題組在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域做出了諸多貢獻(xiàn)。
1. 22.43%的疊層鈣鈦礦太陽能電池丨Science
疊層電池的界面連接層對整個(gè)電池性能起到關(guān)鍵性決定作用，既要保證有效的電學(xué)連接，又要保證較高的光學(xué)透過性。楊陽課題組及其合作者發(fā)展了一種高效的鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se2兩節(jié)疊層鈣鈦礦太陽能電池。有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦作為前電池，CIGS作為后電池。通過納米尺度的界面工程化處理，控制CIGS的表面粗糙度，以及應(yīng)用重度摻雜的有機(jī)空穴傳輸層PTAA，獲得了最佳界面。疊層電池實(shí)現(xiàn)了22.43%的效率，未封裝的電池在標(biāo)準(zhǔn)光輻照下經(jīng)過500小時(shí)老化測試后，效率仍可保持90%左右。
Han Q,Hsieh Y-T, Meng L, et al. High-performance perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells[J]. Science, 2018.
DOI:10.1126/science.aat5055
http://science.sciencemag.org/content/361/6405/904
2. 效率超過21％，共軛聚合物增強(qiáng)鈣鈦礦的熱穩(wěn)定性丨JACS
UCLA的楊陽教授聯(lián)合李永舫院士團(tuán)隊(duì)采用一種低成本，穩(wěn)定的共軛聚合物（PTQ10）作為平面n-i-p結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池中的界面層。聚合物在熱退火之前，將其應(yīng)用于鈣鈦礦中間相。這種策略顯著減少了熱退火過程中表面有機(jī)陽離子的損失。重要的是，鈣鈦礦晶體顯示出更優(yōu)先的取向和聚合物的能級匹配有利于提高電池的性能。組裝的器件效率高達(dá)21.2％，填充因子突破81.6％，也表現(xiàn)出很好的環(huán)境和熱穩(wěn)定性。
MengL, et al. Tailored phase conversion under conjugated polymer enables thermally stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 21%[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018.
DOI:10.1021/jacs.8b10520
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/jacs.8b10520
3.二維鈣鈦礦穩(wěn)定三維鈣鈦礦丨Nature Commun.
鈣鈦礦的組分工程是提高甲脒鈣鈦礦(FAPbI3)相穩(wěn)定性和改善水穩(wěn)定性的有效手段，然而，這伴隨著鈣鈦礦帶隙的增加，無法避免會(huì)犧牲器件的部分光電流。有鑒于此，UCLA楊陽課題組將少量二維鈣鈦礦(PEA2PbI4)摻入三維鈣鈦礦(FAPbI3)前體溶液中，能夠穩(wěn)定純相的三維FAPbI3。二維鈣鈦礦鈍化晶界增強(qiáng)薄膜穩(wěn)定性，并抑制離子遷移提高效率。
LeeJ W, Dai Z, Han T H, et al. 2D perovskite stabilized phase-pure formamidinium perovskite solar cells[J]. Nature Communications, 2018.
DOI:10.1038/s41467-018-05454-4
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05454-4
4. 氣相輔助原位摻雜碳納米管用于鈣鈦礦太陽能電池丨Nano Lett.
楊陽教授團(tuán)隊(duì)介紹了一種簡單且可擴(kuò)展的方法，利用非原位氣相輔助摻雜方法解決碳納米管（CNT）導(dǎo)電性差的問題。三氟甲磺酸（TFMS）蒸汽摻雜CNT，調(diào)整了CNT電極的導(dǎo)電率和功函數(shù)。CNT薄層電阻降低了21.3％。在摻雜TFMS時(shí)，其功能從4.75 eV到4.96 eV。由于電阻降低，能級更好匹配和改善的吸光層，CNT電極基鈣鈦礦太陽能電池的效率為17.6％。此外，基于TFMS摻雜CNT的器件表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。
LeeJ-W, et al. Vapor-Assisted Ex-Situ Doping of Carbon Nanotube towards Efficientand Stable Perovskite Solar Cells[J]. Nano Letters, 2018.
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b04190
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b04190
有機(jī)太陽能電池
基于有機(jī)高分子材料作為光敏活性層的有機(jī)太陽能電池，由于材料結(jié)構(gòu)多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)點(diǎn)，具有無機(jī)太陽能電池技術(shù)所不具備的許多優(yōu)良特性。2018年，UCLA楊陽教授課題組在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域做出了諸多貢獻(xiàn)。
5. 11.52％的串聯(lián)有機(jī)太陽能電池丨Joule
由于一些潛在的優(yōu)勢，例如靈活性，重量輕，可能的半透明性以及快速大面積制造和低能耗，有機(jī)光伏（OPV）在過去十年中引起了極大關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)更高性能的OPV，通過將兩個(gè)或更多個(gè)子電池堆疊在一起來發(fā)明串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在串聯(lián)OPV中，可以提高光子利用效率并且可以降低熱損耗。UCLA楊陽教授聯(lián)合多家單位報(bào)道了通過在后子電池中使用混合的非富勒烯受體，來平衡串聯(lián)OPV中的電壓-電流損失的策略。通過該策略，串聯(lián)OPV在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)出13.3％的最佳效率。由NREL進(jìn)行了認(rèn)證，串聯(lián)器件的效率為11.52％。
Cheng P,et al. Efficient Tandem Organic Photovoltaics with Tunable Rear Sub-cells[J].Joule, 2018.
DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.011
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118305555
6. 高遷移率In2O3用于高效有機(jī)光伏器件丨Nano Lett.
2018年，楊陽課題組通過溶液處理的燃燒反應(yīng)合成的高遷移率In2O3，用作有機(jī)光伏器件的電子傳輸層。研究團(tuán)隊(duì)在In2O3上引入乙氧基化聚乙烯亞胺(PEIE)修飾層，組裝的電池在基于PBDTTT-EFT的富勒烯和非富勒烯體系中均優(yōu)于其對應(yīng)的ZnO電子傳輸層的體系。
HuangW, Zhu B, et al. High Mobility Indium Oxide Electron Transport Layer for Efficient Charge Extraction and Optimized Nano-Morphology in Organic Photovoltaics[J]. Nano Letters, 2018.
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b02452
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02452
7. 高效串聯(lián)三元非富勒烯有機(jī)太陽能電池丨Nano Lett.
2018年，楊陽授課題組開發(fā)出一種化學(xué)成分匹配串聯(lián)太陽能電池。對于前子電池，選擇熱穩(wěn)定性良好的三元混合PDBT-T1:TPH-Se:ITIC，TPH-Se的無定形特性可以充分抑制熱處理過程中混合物的不利相分離，能夠在制造高質(zhì)量燒結(jié)中形成互連層；后子電池由PBDB-T:ITIC組成。基于三元組分混合的雙結(jié)串聯(lián)的效率達(dá)到11.5％。為了進(jìn)一步增強(qiáng)光線在近紅外區(qū)吸收，引入第三結(jié)PBDTTT-EFT：IEICO-4F。三結(jié)串聯(lián)的電池效率為13.0％，開路電壓高達(dá)2.52 V。
HuangW, et al. High Efficiency Non-fullerene Organic Tandem Photovoltaics Based onTernary Blend Subcells[J]. Nano Letters, 2018.
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03950
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03950
量子點(diǎn)太陽能電池
8. 高效穩(wěn)定的鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池丨Joule
鈣鈦礦膠體量子點(diǎn)（CQDs）是CQD光電子學(xué)中有希望的新星材料之一。通過長鏈有機(jī)配體穩(wěn)定的CQDs，以防止其聚集。有效去除絕緣配體是促進(jìn)CQD之間電耦合的先決條件。然而，鈣鈦礦CQD的離子鍵合特性使其極易受到用于表面處理的極性溶劑的影響，從而難以處理絕緣配體。UCLA楊陽團(tuán)隊(duì)提出了一種合理設(shè)計(jì)的后合成工藝，用于有效控制甲脒三碘化鉛（FAPbI3）CQDs上的配體密度。得到的FAPbI3 CQD太陽能電池的效率可達(dá)8.38％，穩(wěn)定性優(yōu)于FAPbI3器件。
Xue J, et al. Surface Ligand Management forStable FAPbI3 Perovskite Quantum Dot Solar Cells[J]. Joule, 2018.
DOI: 10.1016/j.joule.2018.07.018
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118303295
綜述
9. 呼吁鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)化丨Nature Commun.
將光伏技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，低成本，高效率，高穩(wěn)定性是必須考慮的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。作為最有前景的高效光伏材料，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦（Perovskite）引起了基礎(chǔ)研究的極大關(guān)注。十年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破23.7%，然而，器件的穩(wěn)定性是阻礙其商業(yè)化進(jìn)程的最大阻礙。因其穩(wěn)定性測試條件五花八門，所以很難理性地評判其商業(yè)化價(jià)值。楊陽聯(lián)合游經(jīng)碧課題組評述了鈣鈦礦的穩(wěn)定性問題，并且呼吁PSCs的穩(wěn)定性測試的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議盡可能與硅太陽能電池工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匹配。
Meng L,You J & Yang Y. Addressing the stability issue of perovskite solar cellsfor commercial applications[J]. Nature Communications, 2018.
DOI: 10.1038/s41467-018-07255-1
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07255-1
光伏器件學(xué)術(shù)QQ群：708759169
課題組簡介：
楊陽教授現(xiàn)任加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）材料科學(xué)與工程學(xué)院的Carol and Lawrence E. TannasJr.講座教授，UCLA透明高分子太陽能電池研究群領(lǐng)導(dǎo)人和UCLA納米再生能源研究中心的主任。
主要研究方向是太陽能及高效能電子器件，在可溶液加工石墨烯，有機(jī)光伏, 量子點(diǎn)，CIGS和鈣鈦礦太陽能電池等領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)。曾獲IEEE半導(dǎo)體研究協(xié)會(huì)發(fā)明獎(jiǎng)和美國科學(xué)基金會(huì)年輕成就獎(jiǎng)，入選美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士，美國材料研究學(xué)會(huì)會(huì)士，英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，美國電磁學(xué)學(xué)院會(huì)士和國際光電子學(xué)會(huì)會(huì)士。
課題組主頁
http://yylab.seas.ucla.edu/index.html
http://yylab.seas.ucla.edu/publications.html#2018
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