陕西师大刘生忠教授团队在钙钛矿能源器件方面取得系列进展

（1）在分子钙钛矿晶体的X射线探测器方面取得新进展

近年来，分子钙钛矿在铁电、压电、非线性光学等领域已经发挥出了巨大的潜力，与传统的有机-无机杂化钙钛矿相比，分子钙钛矿的形成不再依赖于有机胺氢卤化物，因此结构更加多样化。它们通常通过非共价相互作用实现分子结构的自组装，然而，分子钙钛矿的电荷输运特性却鲜有研究。

鉴于此，陕西师范大学刘生忠教授团队的赵奎教授和华南农业大学的汤有志教授合作，研究了厘米级分子钙钛矿单晶的生长制备和X射线辐射下的电荷传输特性。该晶体具有5.51 eV的大带隙，晶体的霍尔迁移率超过40 cm2 V-1 s-1，迁移率-寿命（µτ）乘积约为10-4 cm2 V-1，同时对X射线具有较强的衰减能力。这些出色的光电性能转化为X射线激发下的有效光响应，制备的X射线探测器灵敏度达到128.9 4.64 µC Gyair-1 cm-2，并且实现了1.06 µC Gyair-1 s-1（10 V）的低检测限。这项工作开创了金属基分子钙钛矿单晶光电器件应用的范例，可能对开发新一代的X射线检测和成像材料提供一定的指引作用。

前段时间，相关成果以题为“Centimeter-Sized Molecular Perovskite Crystal for Efficient X-Ray Detection”发表在 Advanced Functional Materials上。博士研究生马闯和华南农业大学硕士研究生陈芳为论文共同第一作者，刘生忠教授、赵奎教授和华南农业大学汤有志教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100691?af=R

（2）在高效Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池研究中取得重要进展

锌黄锡矿结构的Cu2ZnSn(S,Se)4化合物作为理想的薄膜太阳能电池的吸光层材料受到研究者的广泛关注。如何抑制体相中的CuZn反位缺陷及[CuZn+ZnCu]和[2CuZn+SnZn]缺陷簇是发展CZTSSe薄膜太阳能电池的主要挑战。

刘生忠教授团队联合河南大学武四新教授和华中师范大学陈时友教授针对这一问题提出了异价掺杂的策略，实现了对Cu2ZnSn(S,Se)4吸光层中的不良缺陷的抑制。Ga3+的引入显著降低了由CuZn反位缺陷引起的复合中心数量，抑制了[CuZn+ZnCu]和[2CuZn+SnZn]缺陷簇的生成及其引发的带尾态，通过引入体相Ga3+掺杂，对应的光伏器件的光电转换效率由10.5%提升至12.3%，其中开路电压由473 mV提升至515 mV，提高了42 mV，这主要归因于Ga3+对吸光层不良缺陷的抑制作用。

相关研究成果以题为“Defect Engineering in Earth-Abundant Cu2ZnSn(S,Se)4 Photovoltaic Materials via Ga3+-Doping for over 12% Efficient Solar Cells”发表于国际顶级期刊《Advancd Functional Materials》上。刘生忠教授、田庆文副教授、河南大学武四新教授和华中师范大学陈时友教授为共同通讯作者，博士研究生杜亚超和华中师范大学博士研究生王珊珊为并列第一作者。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010325

（3）在CsPbI3钙钛矿太阳能电池方面取得重要进展

无机卤化物钙钛矿太阳电池因其优异的热稳定性和化学稳定性成为了最具吸引力的新型光伏材料之一。然而，在光电转换效率方面，无机卤化物钙钛矿太阳能电池相较于有机-无机杂化钙钛矿体系仍有较大差距，一方面是因为材料固有性质限制，另一方面则因为在钙钛矿薄膜制备和操作过程中无法避免会产生缺陷，而这些缺陷会成为非辐射复合中心，有损于器件性能。

刘生忠教授课题组等人利用熔盐辅助结晶(MSAC)策略来改善全无机钙钛矿薄膜的晶粒生长。与传统的溶剂退火相比，MSAC通过对流和扩散的方式实现了更快的传质，这有利于前驱体胶体之间的相互作用；另外，熔融盐的引入改变了中间相，降低了钙钛矿晶体的形成能垒，减少了钙钛矿薄膜形成的能量和时间成本。此外，熔盐辅助结晶有助于诱导钙钛矿晶粒的面内生长，抑制孔洞和裂缝的形成，从而形成高质量的钙钛矿薄膜。MSAC制备的器件从18.3%提升到19.83%，其提升主要源于VOC和FF的提高。处理后器件VOC和FF的增强表明钙钛矿薄膜晶体质量的显著提高，且MSAC制备的器件具有更好的稳定性，所得器件VOC赤字低至0.53 eV，在该体系中获得了较低的开压损失。该策略提供了一种新颖的薄膜生长设计，可以有效地制备高质量薄膜以实现高的光电转换效率。

相关研究成果以题为“Molten-Salt-Assisted CsPbI3 Perovskite Crystallization for Nearly 20%-Efficiency Solar Cells”发表于国际顶级期刊《Advancd Materials》上。刘生忠教授和赵婉亘副研究员为共同通讯作者，博士研究生张静茹和硕士研究生房元昆为并列第一作者。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103770?af=R

来源：陕西师范大学