中国科学院山西煤炭化学研究所陈加藏

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陈加藏，1981年4月生，2011年获中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室博士学位。2011-2013年在中国科学院上海硅酸盐研究所担任助理研究员；2013-2016年在新加坡南洋理工大学担任Research Fellow（期间2015年初为瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）访问学者）；现为中国科学院山西煤炭化学研究所研究员、博士生导师。 陈加藏研究员主要从事半导体电荷传输行为以及电极设计开发工作，为高性能半导体（光）电化学体系和新型光伏领域（如染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等）提供必要的理论和技术支撑。相关研究成果在J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., J. Phys. Chem. C等国际学术刊物上发表论文30余篇，并担任多个国际学术刊物的审稿人。


姓 名:陈加藏        
性    别:男
职 务:
职    称:研究员
学 历:博士        
通讯地址:太原市桃园南路27号
电 话:0351-4845811        
邮政编码:030001
传 真:
电子邮件:chenjiazang@sxicc.ac.cn        
ResearchGate个人主页：https://www.researchgate.net/profile/Jiazang_Chen
课题组主页：http://zpzhu.sxicc.ac.cn/
研究领域：
1. 半导体电极的电荷传输行为和界面电荷转移
2. 半导体（光）电化学体系电荷传输研究方法开发
3. 新型太阳能光伏器件（如钙钛矿太阳能电池）的基础研究和应用开发
代表论著：
1. Jiazang Chen, Liping Zhang, Zhenhui Lam, Hua Bing Tao, Zhiping Zeng, Hong Bin Yang, Jianqiang Luo, Lin Ma, Bo Li, Jianfeng Zheng, Suping Jia, Zhijian Wang, Zhenping Zhu, Bin Liu. Tunneling Interlayer for Efficient Transport of Charges in Metal Oxide Electrodes. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138, 3183-3189.
2. Jiazang Chen, Hong Bin Yang, Hua Bing Tao, Liping Zhang, Jianwei Miao, Hsin-Yi Wang, Junze Chen, Hua Zhang, Bin Liu. Surface Rutilization of Anatase TiO2 Nanorods for Creation of Synergistically Bridging and Fencing Electron Highways. Advanced Functional Materials, 2016, 26, 456-465.
3. Jiazang Chen, Hong Bin Yang, Jianwei Miao, Hsin-Yi Wang, Bin Liu. Thermodynamically Driven One-Dimensional Evolution of Anatase TiO2 Nanorods: One-Step Hydrothermal Synthesis for Emerging Intrinsic Superiority of Dimensionality. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136, 15310-15318.
4. Jiazang Chen, Bo Li, Jianfeng Zheng, Jianghong Zhao, Zhenping Zhu. Role of Carbon Nanotubes in Dye-Sensitized TiO2-Based Solar Cells. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116, 14848-14856.
5. Jiazang Chen, Bo Li, Jianfeng Zheng, Suping Jia, Jianghong Zhao, Huanwang Jing, Zhenping Zhu. Role of One-Dimensional Ribbonlike Nanostructures in Dye-Sensitized TiO2-Based Solar Cells. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115, 7104-7113.
6. Jiazang Chen, Bo Li, Jianfeng Zheng, Jianghong Zhao, Huanwang Jing, Zhenping Zhu. Controllable Assembly of Polyaniline Nanostructures and Improving Their Electrochemical Performance by High Gravity. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115, 23198-23203.
7. Jiazang Chen, Jianqiang Luo, Xihai Jin, Yangqiao Liu, Jing Sun, Lian Gao. Promotion of Charge Transport in Low-Temperature Fabricated TiO2 Electrodes by Curing-Induced Compression Stress. Electrochimica Acta, 2013, 100, 85-92.
8. Jiazang Chen, Bo Li, Jianfeng Zheng, Jianghong Zhao, Huanwang Jing, Zhenping Zhu. Polyaniline Nanofiber/Carbon Film as Flexible Counter Electrodes in Platinum-Free Dye-Sensitized Solar Cells. Electrochimica Acta, 2011, 56, 4624-4630.
承担科研项目情况：
1. 中科院率先行动“百人计划·C类”人才项目
2. 中科院山西煤化所人才引进支持项目
3. 煤转化国家重点实验室开放基金

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   钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、制作工艺温和、简单等诸多优点，然而稳定性问题是制约其实际应用的关键因素。环境中的氧气、水分、太阳光的紫外部分，以及电池运行过程中产生的热量等因素均会引发电池结构的破坏以及性能的退化。尤其是在实际应用中，由于要求电池在最大功率输出条件下的满负荷运行，光伏性能的退化将会进一步加剧。

目前，有关钙钛矿太阳能电池稳定化的措施主要围绕在电池的封装、紫外光的截止或转化、电池中吸水性材料的替换以及改善材料的结晶度等。然而钙钛矿太阳能电池仍然存在随着输出功率增大，电池性能衰退加剧等问题。

最近，新加坡南洋理工大学刘彬（LIU Bin）课题组和中国科学院山西煤炭化学研究所陈加藏课题组提出通过锐钛矿TiO2表面金红石化，实现钙钛矿太阳能电池长时间的稳定最大功率输出。该论文发表在Chem上。

研究团队通过对钙钛矿太阳能电池运行过程中的电荷传输和界面电荷转移动力学分析，指出光生电荷在钙钛矿光活性层中的过度累积是导致钙钛矿分解的关键因素。基于此，该研究团队提出锐钛矿表面金红石化的概念，通过发生表面相变，将{101}晶面暴露的锐钛矿TiO2纳米结构的表面转化为{001}晶面暴露的金红石相。借助于金红石{001}晶面与钙钛矿光活性物质间良好的电荷相互作用，促进钙钛矿—TiO2界面电荷转移，同时也改善了光生电子在TiO2介孔层中的传输，避免因光生电荷在钙钛矿中的过度累积而引发的光活性物质氧化问题（图1）。论文同时指出，由于金红石比锐钛矿具有更高的导带能级，可以提高TiO2半导体中电子的浓度，以抑制TiO2中紫外光生空穴的寿命和传输距离，从而抑制了空穴对钙钛矿光活性物质的氧化，使得电池的抗紫外性能得以显著提升。

图1.锐钛矿TiO2纳米结构表面金红石化对电荷传输和界面电荷转移的作用。从图中可以看出，基于表面金红石化的锐钛矿TiO2纳米结构的太阳能电池（右图），由于电荷在钙钛矿—TiO2界面间的转移以及在TiO2介孔层中的传输更加顺畅，可改变电池的原传输线路，避免光生电荷在钙钛矿光活性物质的过度累积。

光伏性能评价表明，对锐钛矿TiO2纳米结构进行表面金红石化，不仅提高了电池的光电转换效率，更重要的是，电池在模拟太阳光照射以及室温空气环境（湿度为70 ± 10 %）条件下，满负荷最大功率输出连续运行120小时没有出现光伏性能衰退现象，表现出优异的抗紫外、抗湿度和抗氧性能。

   此外，与锐钛矿{101}晶面相比，金红石{001}晶面与钙钛矿光活性物质之间的晶格失配更小，并且其系数由正值变为-1.7%；由于钙钛矿的热膨胀系数比TiO2大，因此电池在工作过程中温度的升高不仅不会加剧晶格失配而导致界面接触问题，而且还可以减缓晶格失配。热稳定性的研究表明，太阳能电池在室温和85°C进行40次的冷热温度变换处理，电池的性能未出现衰退。将热处理时间进一步延长，通过长达22天的冷热温度变换处理，发现电池的光电转换效率仍然没有出现降低。表明通过锐钛矿表面金红石化，钙钛矿太阳能电池具有非常优异的热稳定性。

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报告题目：半导体隐性特征结构对电荷传输的作用
报告时间：5月9日10:00
报告地点：浙江工业大学存中十楼报告厅
报告人：陈加藏研究员、中国科学院山西煤炭化学研究所
报告摘要：
半导体电极的电荷传输行为是决定半导体（光）电化学体系能量转化和利用的关键因素。电荷传输行为与能带结构、界面和掺杂等材料结构特征直接相关。然而受到材料表征手段的限制，一些隐藏于材料内部的结构信息却未能很容易的发现[1,2]。有关材料内部的界面电子散射、半导体颗粒间电荷转移和金属—半导体间界面电荷转移等电子过程与电荷传输及其能耗之间的关系尚未形成很好的认识。我们以电荷传输本身为研究手段，结合理论模拟，用电化学阻抗谱和瞬态光谱等（光）电化学方法考察材料内部的隐藏结构信息。我们发现，多年来指导材料设计（包括电极制作）的“形貌与性能之间的关系”并不真实存在[1]，而与性能相关的特性则多数体现在半导体电子态方面。基于这个发现，我们通过对电荷传输行为进行细致的分析考察，结合材料本身具有的特性，提出热力学促进的一维纳米结构演变、锐钛矿表面金红石化等概念，为设计具有良好电荷传输性能的TiO2电极提供理论和技术路径，实现半导体电极中电子高速公路的桥接和围护[3]，改善了半导体光电化学体系的太阳能利用效率。同时，得益于良好的界面晶格匹配，锐钛矿表面金红石化还可以增强钙钛矿太阳能电池的稳定性，为该类型光伏器件的实际应用提供了可行的途径[4]。关于金属—半导体间界面电荷转移，如碳增强的TiO2导电机制方面，我们突破当前电极设计在这一方面的模糊认识，明确提出C—TiO2界面电荷转移问题的重要性，并引入热电子发射和电荷隧穿理论来指导半导体电极的设计。通过促进C—TiO2界面的电荷隧穿，抑制热电子发射可以有效的降低电荷转移过程中的能耗，提高太阳能利用效率[5,6]。通过对半导体电极电荷传输行为的考察，我们提出半导体电极（材料）设计的新概念[3,5-7]。


报告人简介：
陈加藏，2011年7月毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所并获取工学博士学位。先后在中国科学院山西煤炭化学研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、新加坡南洋理工大学、瑞士洛桑联邦工学院从事太阳能电池之电荷传输和界面电荷转移方面的研究工作。2016年入选中科院率先行动“百人计划·C类”，担任中国科学院山西煤炭化学研究所课题组长、研究员、博士生导师。近年来主要从事半导体电极电荷传输行为和界面电荷转移动力学信息方面的研究，为高性能光伏器件的半导体电极、光催化剂提出了若干设计方案。长期为Joule, J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, J. Phys. Chem. A/B/C/Lett., Langmuir等重要国际刊物评审稿件。至今为止已经在Chem, J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Phys. Chem. C, Appl. Catal. B, J. Mater. Chem. A等学术期刊上发表研究论文50余篇。


参考文献
1. Chen, J.; Yang, H. B.; Miao, J.; Wang, H.-Y.; Liu, B. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136: 15310.
2. Chen, J.; Li, B.; Zheng, J.; Jia, S.; Zhao, J.; Jing, H.; Zhu, Z. J. Phys. Chem. C 2011, 115: 7104.
3. Chen, J.; Yang, H. B.; Tao, H. B.; Zhang, L.; Miao, J.; Wang, H.-Y.; Chen, J.; Zhang, H.; Liu, B. Adv. Funct. Mater. 2016, 26: 456.
4. Luo, J.; Chen, J.; Wu, B.; Goh, T.W.; Qiao, W.; Ku, Z.; Yang, H.B.; Zhang. L.; Sum, T.C.; Liu, B. Chem 2018, 4: 911.
5. Chen, J.; Li, B.; Zheng, J.; Zhao, J.; Zhu, Z. J. Phys. Chem.C 2012, 116: 14848.
6. Chen, J.; Zhang, L.; Lam, Z.; Tao, H. B.; Zeng, Z.; Yang, H. B.; Luo, J.; Ma, L.; Li, B.; Zheng, J.; Jia, S.; Wang, Z.; Zhu, Z.; Liu, B. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138: 3183.
7. Chen, J.; Tao, H.B.; Liu, B. Adv. Funct. Mater. 2017, 7: 1700886.