近日，我所太阳能研究部薄膜太阳能电池研究组（DNL1606组）杨栋研究员和刘生忠研究员团队发表了关于柔性钙钛矿太阳能电池的综述文章，系统的探究了影响柔性钙钛矿太阳能电池机械性能的关键因素，并展望了该领域目前所面临的挑战和未来应用前景。

　　柔性钙钛矿太阳能电池具有质量轻、功质比高、与曲面兼容等优点，使其在可穿戴、自供电便携式电子产品等方面表现出突出优势。柔性钙钛矿太阳能电池要求各个功能层都具有出色的机械性能，由于各功能层在重复弯曲过程中柔韧性差异和界面接触等问题，致使其机械性能逐渐降低。
　　该综述文章通过对柔性钙钛矿太阳能电池最新研究进展和实际应用的总结分析，证明了选择合适的柔性衬底、载流子传输层以及柔性电极是提升柔性钙钛矿太阳能电池机械性和环境稳定性的重要途径。同时，团队进一步对添加剂工程、界面修饰工程、新型功能层材料等进行了讨论，证实了这些因素是改善柔性钙钛矿太阳能电池性能的关键因素和有效途径。此外，团队从化学角度总结了各功能层的组成和性质，从物理角度分析了各功能层的各个参数，包括杨氏模量、热膨胀系数、厚度和拉伸应变力等对柔性钙钛矿太阳能电池机械性能的影响。这些化学和物理参数是描述材料变形能力的内部因素，对分析柔性钙钛矿太阳能电池的机械性能具有重要的意义。团队进一步分析了目前大面积柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法、机械性、稳定性等，并展望了大面积柔性钙钛矿太阳能电池未来商业化应用存在的机遇和挑战。
　　近年来，杨栋等在柔性钙钛矿太阳能电池方向取得了一系列进展，包括开发柔性钙钛矿太阳能电池中的低温电子传输材料（Energy Environ. Sci.，2015；Adv. Mater.，2016）、设计柔性钙钛矿太阳能电池中的添加剂（Adv. Mater.，2018）、发展柔性钙钛矿太阳能电池中的界面修饰（Nat. Commun.，2018；Mater.，2023）等。
　　该综述以“Recoverable Flexible Perovskite Solar Cells for Next‐Generation Portable Power Sources”为题，于近日发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的第一作者是我所DNL1606组联合培养博士研究生刘洁琼。上述工作得到国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 杨栋、杨少安）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202307225

钙钛矿太阳电池经过十多年迅猛的发展，将光电转换效率从最初的3.8%提升到接近26%。为了继续提升钙钛矿太阳电池的光电转换效率，在短路电流密度已经快接近极限的情况下，提升钙钛矿器件的开路电压和填充因子比提升器件的短路电流密度更具紧迫性。以往的研究表明，太阳电池的开路电压与电池吸收层的本体和表面缺陷都有关。目前钙钛矿太阳电池制备中常使用的溶液法制备的多晶薄膜含有大量的缺陷，进一步限制了太阳电池效率的提升。目前常用的长烷基铵盐卤化物表面钝化材料是一种非常有效的钙钛矿表面钝化剂，我们尝试寻找更高效的钝化剂助力钙钛矿电池性能和稳定性的进一步提升。

        陕西师范大学刘生忠、刘渝城教授课题组采用1-乙基-3-甲基咪唑溴盐[EMIM]Br离子液体在钙钛矿薄膜表面形成离子液体覆盖层有效地降低了钙钛矿薄膜的缺陷密度，进而将钙钛矿电池效率提升至24.33%，同时大幅提升了稳定性。进一步研究表明，离子液体中的阳离子通过与钙钛矿表面未配位的Pb2+原位形成离子液体覆盖层，从而提高器件的性能和稳定性。
        该项工作为FAPbI3太阳电池开发了一种优良的离子液体缺陷钝化策略，即将选定的1-乙基-3-甲基咪唑溴盐（[EMIM]Br）离子液体锚定钙钛矿表面的Pb2+和I–，在表面原位反应形成薄的离子液体钙钛矿覆盖层。离子液体可以通过与钙钛矿薄膜形成强化学键来稳定钙钛矿，这可以在很大程度上阻止钙钛矿成分的损失，并降低晶界和界面处的陷阱态密度。因此，这种钝化效应同时提高了钙钛矿太阳电池的光电转换效率和器件稳定性。具体来说，覆盖层改性策略延长了载流子复合寿命，并将器件开路电压（Voc）提高到1.192 V。对于结构为FTO/SnO2/钙钛矿/CL/spiro-OMeTAD/Au的完整器件，我们最终获得了高达24.33%的光电转换效率，同时，在面积为10.75cm2的组件效率达到20.33%。


        论文信息：
        Ionic-Liquid-Perovskite Capping Layer for Stable 24.33%-Efficient Solar Cell
        Xuejie Zhu, Shaoan Yang, Yuexian Cao, Lianjie Duan, Minyong Du, Jiangshan Feng, Yuxiao Jiao, Xiao Jiang, Youming Sun, Hui Wang, Shengnan Zuo, Yucheng Liu*, Shengzhong (Frank) Liu *
        Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.202103491
原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202103491

太阳能电池如今已经证明是一种可有效将室内环境中低强度光能转换成微瓦到兆瓦等功率的装置，被公认是驱动低功耗电子设备的理想选择。钙钛矿太阳能电池具有带隙可调、吸收系数高等优点，受到了广泛关注。但是在钙钛矿薄膜形成过程中，不可避免的会形成大量的缺陷，造成严重的非辐射复合损失，从而使得器件的性能大大降低。

        今年伊始，我院刘生忠教授团队通过两步法制备了微米厚的钙钛矿薄膜。实现了40.1%的低光太阳能电池效率。通过胍盐钝化体相和2-（4-甲氧基苯基）乙胺氢溴酸盐（CH3O-PEABr）钝化钙钛矿薄膜表面协同抑制陷阱态，减少了非辐射复合中心数量，使得到的钙钛矿薄膜的平均载流子寿命从1.41 μs提高至7.72 μs，并获得了1.00V的高开路电压（Voc）、152.10 μA·cm-2的短路电流（Jsc）和79.52%的填充因子（FF）。
        相关研究成果以题为“40.1% Record Low-Light Solar-Cell Efficiency by Holistic Trap-Passivation using Micrometer-Thick Perovskite Film”发表在知名期刊Advanced Materials。第一作者为我院硕士研究生何希来，我院赵奎教授、刘生忠教授和任小东博士后为共同通讯作者。

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。但在无机钙钛矿器件的制备过程中无法避免产生缺陷，与钙钛矿体相中存在的缺陷相比，表面的缺陷浓度更大，因此，使用界面工程对钙钛矿进行钝化，能够有效的提升钙钛矿器件的效率。

        今年伊始，我院刘生忠教授团队在无机钙钛矿太阳电池效率方面取得了新进展，通过理论研究，确定组胺分子可以有效钝化钙钛矿的表面缺陷，最终将无机钙钛矿电池效率提高到当前世界记录效率（20.8%）。具体而言，选用的组胺分子含有的咪唑环是富电子基团，可以与碘空位通过路易斯酸碱反应相结合，而-NH2中的H可以与相邻的卤原子通过形成氢键相互作用，从而增强组胺分子在钙钛矿表面的附着。利用分子内不同的基团与钙钛矿表面原子的相互作用，有目的地钝化了钙钛矿表面的缺陷，从而提升了钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
        相关研究成果以题为“Rational Surface-Defect Control via Designed Passivation for High-Efficiency Inorganic Perovskite Solar Cells”发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。我院田庆文副教授、向万春研究员为共同通讯作者，我院硕士研究生谷晓静为第一作者。

2020年11月18日，全球专业信息与分析服务的领导者科睿唯安（Clarivate Analytics）公布了2020年“高被引科学家”名单，我院刘生忠教授入选“材料科学”和杨周副教授入选“跨学科”领域“高被引科学家”榜单。
       全球“高被引科学家”名单，是由科睿唯安文献计量学专家利用科研绩效分析数据库Essential Science Indicators（ESI，基本科学指标），并基于学术研究平台Web of Science中超过33000本期刊所发表的论文数量和引文数据，制定的独特的科研绩效度量指标和科学发展趋势数据得出。名单体现了高被引学者的学术成果对全球同行的支持、影响、启发与挑战。高被引数据展现了某学科领域中的科研人员所取得的科研成果受到全球同行的集体认可。2020年科睿唯安“高被引科学家”共有全球60多个国家的6167位来自各领域的高被引科学家入榜，其中，中国内地共计770人次（占比12.1%）入选，位居全球第二。入榜这份名单的自然科学家和社会科学家均发表了多篇高被引论文。
        刘生忠教授主要从事太阳能光伏材料、纳米材料、薄膜材料和光伏技术的研发、放大和生产。提出了反应升温析晶法和阶段接力策略，生长了一系列钙钛矿单晶，尺寸达120毫米（国际上同类单晶最大尺寸约1厘米）；提出了“边缘诱导结晶法”生长大面积柔性钙钛矿单晶薄膜的策略，成功生长了大面积、厚度仅0.6微米的柔性钙钛矿单晶薄片；研发了高性能、低成本触摸屏用透明导电薄膜产品，样品的所有性能指标均优于国际先进水平；研发了集成电路型高性能单晶光探测器阵列、高能射线探测和成像系统；率先研发了高效柔性卷到卷高通量（>100米长度）钙钛矿太阳能电池连续制备技术和高稳定、大规模钙钛矿电池真空制备技术；研发了四端钙钛矿/单晶硅叠层电池，效率达到27%，是该类型电池的最高效率；研发了单原子层金属Pt在复杂形貌载体上自终止全覆盖制备技术，为超低Pt用量催化剂应用奠定了基础。共发表SCI论文200余篇，其中20余篇论文入选ESI高被引论文和热点论文。主持国家重点研发计划项目等国家级项目3项，横向到校经费845万元，总经费2490.75万元。入选RSC英国皇家化学会2018 Top 1% 高被引中国作者。担任Nature 集团期刊Scientific Reports 编委，Nano Select 副主编，Advanced Functional Materials 特邀编辑，Journal of Energy Chemistry 国际顾问和特邀编辑。荣获中国侨联“中国侨界贡献奖”创新人才和“陕西省职工创新创业优秀人物”。

陕西师范大学材料科学与工程学院刘生忠教授等报道了高效稳定钙钛矿太阳能电池的溶剂策略。提出了通过在FA0.85MA0.15PbI3(FA:HC(NH2)2;MA:CH3NH3) 钙钛矿前体中使用挥发性固体乙醇酸（HOCH2COOH,GA）来有效调节钙钛矿结晶度的策略。伴随着第一次二甲基亚砜升华过程，在FA0.85MA0.15PbI3钙钛矿薄膜中，GA在150℃前的升华可以巧妙地调节钙钛矿结晶度，退火后不残留。由GA和Pb2+之间的强相互作用诱导的GA改性后改善的膜形成，可提供高达21.32％的最佳功率转换效率（PCE）。GA基PSC器件（21.32%）的冠军PCE几乎比控制器件或TGA（HSCH2）基器件高出13%或20%。 此外，由于薄膜的形成得到了改善，GA改性PSCs在光、热和湿度测试中表现出最佳的稳定性。该成果近日以题为“Solvent Engineering Using a Volatile Solid for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”发表在著名期刊Advanced Science上。

陕西师范大学刘生忠教授和赵奎教授等人在Nano Letters报道了2D/3D钙钛矿电池的重要进展，文章题目为“Interfacial engineering at the 2D/3D heterojunction for high-performance perovskite solar cells”。该研究发现，在2D/3D层状异质结中，表层量子阱的成核和生长过程受到底层3D钙钛矿的诱导作用，从而促进了2D钙钛矿沿垂直方向的生长。同时，不同配体对于量子阱厚度、取向性以及缺陷钝化也起着重要的影响，通过配体工程调控可以获得择优取向的量子阱结构以及提升的电荷传输速率。在器件整体性能方面，优化后的2D/3D钙钛矿电池效率最高可达21.15%，明显优于参比3D器件的19.02%，表层2D 钙钛矿的缺陷钝化作用使得器件的迟滞效应和电荷收集得到明显改善。2D/3D钙钛矿自身良好的耐湿性，也使得电池器件展现出卓越的空气稳定性，未封装器件在30-40%的相对湿度环境下暴露60天后最高仍能维持其初始效率的84%。

上述研究工作分别得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、教育部“111引智计划”、“##计划”项目的资助以及康奈尔大学高能同步辐射光源的帮助。

应兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室、化学化工学院邀请，陕西师范大学国家特聘教授刘生忠博士来我校进行交流并做学术报告，欢迎感兴趣的师生参加。
报 告 人：刘生忠 教授
报告题目：钙钛矿-奇异的光电材料
报告时间：2019年7月15日（星期一）下午16:30
报告地点：第二化学楼101学术报告厅
报告人简介
    刘生忠，1992年获美国西北大学 (Northwestern University) 博士学位，先后在美国 Argonne National Laboratory，Solarex/BP Solar、United Solar 等高科技公司从事研究工作20余年，于2011年入选国家创新人才长期项目，并与当年底全职回国工作，现任陕西师范大学教授和中国科学院大连化学物理研究所研究员。研究领域主要包括太阳能光伏材料、纳米材料、薄膜材料和光伏技术的研发、放大和生产。在基础研究方面，刘博士曾在国际顶级期刊上发表了多篇论文，包括 Science、Nature、Joule、Matter、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Materials Today、Energy & Environmental Science、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Physics Review X 等。回国后，刘博士已经在陕西师范大学组建了陕西省能源新材料与器件重点实验室、陕西省能源新技术工程实验室和陕西师范大学新能源高等技术研究院等。回国后已发表SCI论文百余篇，其中，多篇论文进入ESI高引论文（top 1%）和 ESI热点论文 (top 0.1%)。

虽然小面积金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）显示PCE高达25.2％，但小面积和大面积PSC器件之间的效率差距仍然很大。刘生忠和戚亚冰团队分享对制造面积超过200 cm2的组件的当前阶段挑战的看法，并总结了最近在缩小效率差距方面取得的进展，强调了进一步研究将钙钛矿光伏技术转向工业规模。

这些策略包括学习其他商业化薄膜光伏技术，分析采用基于溶液和蒸汽的可升级制造技术和优化大面积模块设计的钙钛矿太阳能模块的现状。考虑到成本分析和工作稳定性曲线，基于碳电极的器件具有很大潜力。

Qiu, L., He, S., Ono, L. K., Liu, S. & Qi, Y. Upscalable Fabrication of Metal Halide Perovskite Solar Cells and Modules. ACS Energy Lett., 2019

DOI: 10.1021/acsenergylett.9b01396 (2019)

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01396

富勒烯衍生物，例如PCBM，被广泛用作倒置钙钛矿太阳能电池（PSC）中的电子传输层（ETL）。由于其低的电子迁移率，实现高质量成膜的复杂性以及钙钛矿/PCBM界面处的严重非辐射复合导致倒置PSC相比于正置PSC效率较低。近日，刘生忠团队提出了一种克服这些挑战的有效策略，即将共轭的n型聚合物材料与PCBM混合在一起，形成具有高电子迁移率和合适能级（HBM）连续膜。

研究发现HBM薄膜完全覆盖钙钛矿表面以增强电子提取。由于相对介电常数大，HBM的临界电子捕获半径从PCB的14.89nm减小到12.52 nm，导致钙钛矿/HBM界面处的非辐射复合减少。基于HBM ETL的倒置PSC的效率超过20.6％，填充因子高达0.82。此外，由于HBM ETL的高疏水性，器件的稳定性得到很大改善。在45天后的环境空气条件下，基于HBM显示的倒置PSC的效率保持为初始值的80％，显著高于对照组（48%）。该工作将进一步推进高效稳定的倒置PSC的发展。

Yang,D. Priya, S. Liu, S. et al. Stable Efficiency Exceeding 20.6% forInverted Perovskite Solar Cells through Polymer-Optimized PCBMElectron-Transport Layers. Nano Letters, 2019.

DOI:10.1021/acs.nanolett.9b00936

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.9b00936

刘生忠Angew.综述：全无机钙钛矿太阳能电池

基于卤化铅的钙钛矿材料对湿气和热存在固有不稳定性。无机Cs+阳离子取代脆弱的有机基团形成铯卤化铅体系（CsPbX3，X是卤化物），作为全无机钙钛矿，其热稳定性更高，并且通常对其他因素更稳定。刘生忠联合JinZhiwen课题组总结了该领域的研究进展，提出解决发展瓶颈的方案，并尝试推动CsPbX3 PSC的进一步研究。然后，讨论各种CsPbX3材料和CsPbX3细器件。最后，介绍了CsPbX3 PSC未来发展的挑战和前景。

Zhang, J., Hodes, G., Jin, Z. & Liu, S. All-Inorganic CsPbX3 Perovksite Solar Cells: Progress and Prospects. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201901081

https://doi.org/10.1002/anie.201901081

陕师大刘生忠教授课题组Joule.:具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因结构简单，能量转换率高，低成本以及温和条件制备等优点，备受学术界的关注。但其存在一个致命的弱点：光化学稳定性和热稳定性差。相比之下，无机钙钛矿材料因其优异的稳定性成为研究者们新的关注热点。但是由于其禁带宽度大，大大限制了其光电转换效率。在该研究中，作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜，调整了薄膜不同位置的带隙，增大了薄膜厚度，钝化表面，减小了电荷复合，最终得到的器件VOC 高达1.20 V，JSC 为15.25 mA/cm2，FF 78.7. %，光电转换效率为14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

近日，陕西师范大学靳志文博士和刘生忠教授 ，硕士生边慧和白东良在Joule上发表了一篇名为 “Graded Bandgap CsPbI2+xBr1-x Perovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4%” 的文章。在这次研究中，作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜。研究表明，分级带隙设计可以有效的调整薄膜不同位置的带隙，增大了薄膜厚度，增加了吸光效率，钝化了表面，减小了电荷复合，最终器件光电转换效率和稳定性都有一定的提高。

高性能二维钙钛矿太阳电池的相变控制

二维(2D) Ruddlesden-Popper (RP)型杂化钙钛矿半导体，因为其优异的稳定性和光电性能，已经在科研领域吸引了极大的关注。然而，二维钙钛矿复杂的结晶动力学方面的研究仍存在空白。

近日，大连化学物理研究所博士研究生张旭同学在洁净能源国家实验室太阳能研究部薄膜太阳能电池研究组（DNL1606）刘生忠研究员和陕西师范大学赵奎教授指导下，继2017年在能源研究顶级期刊 Energy & Environmental. Science 上报道了低维钙钛矿电池最高效率之后，又在二维钙钛矿结晶动力学研究上取得新进展，相关研究成果发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201707166)。

该研究利用高能同步辐射技术，实时追踪二维钙钛矿前驱体溶液反应形成固态薄膜的相转变行为，研究了基底温度和溶剂性质如何影响二维钙钛矿结晶动力学以及薄膜相纯度、量子阱排列取向和光伏性能。

上述研究工作分别得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基金、教育部“111引智计划”、“##计划”项目的资助以及康奈尔大学高能同步辐射光源的帮助。

有机-无机杂化钙钛矿电池因其理想的禁带宽度，优异的载流子传输性能等一直备受关注。但由于有机离子的易挥发易分解等问题一直制约着其进一步发展。相比之下，无机钙钛矿材料因其优异的稳定性成为研究者们新的关注热点。不过通常制备的无机钙钛矿晶粒较小，晶界较多，载流子传导时在晶界处易复合，这限制了其光电转换效率。在该研究中，作者采用Mn离子掺杂无机钙钛矿薄膜，增大了晶粒，钝化了表面，减小了电荷复合，最终得到的器件VOC 高达1.17 V，JSC 为14.37 mA/cm2，FF 80.0%，光电转换效率为13.47%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

近日，陕西师范大学靳志文博士，王倩博士和刘生忠教授 (共同通讯作者)，硕士生白东良和张静茹（共同一作）在 ACS Energy Letters上发表了一篇名为 “Interstitial Mn2+-Driven High-Aspect-Ratio Grain Growth for Low-Trap-Density Microcrystalline Film for Record Efficiency CsPbI2Br Solar Cells” 的文章。在这次研究中，研究者使用了Mn离子掺杂无机钙钛矿薄膜。研究发现，Mn离子掺杂增大了晶粒，钝化了表面，减小了电荷复合。同时，大晶粒的钙钛矿薄膜疏水性增大，不易发生相变，器件稳定性有一定的提高。

近日，我院牛天启同学在专家刘生忠教授、赵奎博士的指导下与阿卜杜拉国王科技大学Aram Amassian教授合作，在钙钛矿电池领域取得重要进展，相关研究成果发表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201706576）。

近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳电池因其卓越的光电性能受到广泛关注，但低温制备的多晶MAPbI3钙钛矿薄膜，其晶界处存在的大量缺陷会引起载流子复合，严重影响电池器件的光电转换效率及稳定性。基于此，研究者通过反溶剂修饰技术，在MAPbI3钙钛矿中引入带有路易斯酸/碱功能基团的半导体有机小分子，使得器件效率由17.5%提升至19.3%。研究发现，半导体有机小分子与钙钛矿之间形成的路易斯酸碱加合物或卤素-富勒烯自由基，可以有效钝化Pb2+空位或Pb-I反位缺陷。同时，二者间能级匹配度的提升有助于增强缺陷钝化作用，提高载流子迁移率。

此外，晶界处的疏水型有机小分子还能有效地抵御水汽进入。器件在50%的相对湿度环境下，放置40天后，仍保持80%以上的初始效率。这一工作为制备高效稳定的钙钛矿太阳电池提供了更加理性的思路和方法，也将有助于推动钙钛矿太阳电池走向商业应用。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基金、教育部“111引智计划”和“##计划”项目的资助。