百人計劃特聘專家馮宏劍博士課題組在鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展

近日，西北大學(xué)物理學(xué)院馮宏劍博士(陜西省百人計劃特聘專家)在國際化學(xué)類頂尖學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》(JACS影響因子:11.444)在線發(fā)表了題為“Tunable optical properties and charge separation in CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2based planar perovskites cells”的全文型(Article)研究成果(DOI:10.1021/jacs.5b04 015)。該項研究工作由西北大學(xué)物理學(xué)院百人計劃特聘專家馮宏劍博士課題組和美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)-林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授課題組和Evgeny Tsymbal教授課題組合作完成。是世界上首次對CH3NH3SnxPb1-xI3體系的光學(xué)帶隙調(diào)控、結(jié)構(gòu)預(yù)測和鈣鈦礦基異質(zhì)結(jié)載流子分離輸運機(jī)理進(jìn)行深入研究的開創(chuàng)性工作。

鈣鈦礦型有機(jī)-無機(jī)雜化材料是近兩年來備受關(guān)注的新型光伏材料，其光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%迅速提高到經(jīng)過認(rèn)證的19.3%，有望達(dá)到晶體硅電池的25%的水平。然而，獲得該效率的太陽能電池所采用的有機(jī)空穴傳輸材料(HTM)價格昂貴，無空穴傳輸材料鈣鈦礦電池為人們研制簡單、高效率、低成本的新結(jié)構(gòu)提供思路，目前獲得了12.84%的光電轉(zhuǎn)換效率。但人們對CH3NH3PbI3基平面型異質(zhì)結(jié)太陽能電池的光生載流子輸運機(jī)理尚不清楚，同時Pb具有一定毒性，需要考慮用Sn來替代。針對這一難題，馮宏劍博士課題組和美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)-林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授和Evgeny Tsymbal教授課題組合作采用含時密度泛函理論(TD-DFT)對CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2平面型異質(zhì)結(jié)電池的相變、光吸收、載流子輸運機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)深入的長期研究，研究表明:CH3NH3SnxPb1-xI3在x≥0.5時為α相結(jié)構(gòu)，在x＜0.5時為β相結(jié)構(gòu)，Sn的引入有助于穩(wěn)定非畸變的α相結(jié)構(gòu)和減小光學(xué)帶隙，理論結(jié)果和實驗符合的非常完美;電子被聚集在異質(zhì)結(jié)的界面并在界面處形成了金屬態(tài)，完美的解釋了CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2平面型異質(zhì)結(jié)太陽能電池的 TiO2一側(cè)為電子傳輸介質(zhì)(ETM)，而CH3NH3SnxPb1-xI3起到了空穴傳輸層的作用(如圖1所示);CH3NH3PbI3相比于CH3NH3SnI3有更強(qiáng)的載流子分離率。同時CH3NH3PbI3體系的光吸收和鐵電極化相關(guān)聯(lián)，其相關(guān)研究成果被馮宏劍博士以獨立作者身份發(fā)表在《Journal of Power Sources》:J.Power Sources 291，58-65 2015(一區(qū)，影響因子:5.211)。

該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省“百人計劃”高層次人才項目、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目、陜西省教育廳專項科研計劃項目的資助。