朱瑞,龚旗煌等在钙钛矿光伏介电调控研究中取得重要进展

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近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心极端光学研究团队朱瑞研究员、龚旗煌院士与英国萨里大学张伟教授、美国劳伦斯伯克利国家实验室Thomas P. Russell教授合作，在介电调控提升钙钛矿光伏性能研究中取得重要进展。相关研究成果以“钙钛矿光伏器件中的介电屏蔽”（Dielectric screening in perovskite photovoltaics）为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications, 12, 2479 (2021)）。
       近年来，钙钛矿光伏器件的光电转换效率和长期稳定性得到迅速提升，然而器件性能的进一步优化仍受到钙钛矿薄膜中缺陷诱导非辐射损失的严重阻碍。尽管钝化策略在一定程度上能够抑制这种损失，但大多只针对特定缺陷发挥作用，改善效果受限。因此，需要发展拓宽更具普适性的思路，以消除体系中多种类缺陷叠加造成的不利影响。
        针对此问题，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心极端光学研究团队朱瑞研究员、龚旗煌院士课题组与英国萨里大学张伟教授、美国劳伦斯伯克利国家实验室Thomas P. Russell教授等组成联合研究团队，基于前期在反式结构钙钛矿光伏器件上的研究成果，以介电环境调控为指导，来实现钙钛矿薄膜缺陷的有效屏蔽，助力提升钙钛矿光伏器件的性能。一方面，研究工作由局域库仑相互作用开始，参考已有研究，从理论上阐明了调控钙钛矿的介电响应可以减小缺陷对电荷载流子的捕获截面，从而对缺陷产生屏蔽效应。另一方面，从实验上借助碱金属离子对介电环境的调节能力，在钙钛矿薄膜中有效加速了空间电荷区域钙钛矿的介电响应，使得缺陷捕获截面显著减小，从而产生介电屏蔽效应；该效应降低了载流子被缺陷捕获的几率，即使缺陷仍然存在，它们在某种程度上对电荷载流子也是“不可见”的，形成了缺陷的“隐身”效果，即“缺陷隐身”（如图）。同时，钙钛矿薄膜的质量整体提高，载流子的表面复合与电声耦合动力学过程明显改善，非辐射损失通道得到全面、显著抑制。最终，在反式结构钙钛矿光伏器件中获得了超过22%的光电转换效率。该研究通过对钙钛矿中缺陷捕获载流子过程的深入认知，进一步发展了调控降低缺陷诱导非辐射损失的新思路，实验验证了通过介电调控来实现高效钙钛矿光伏器件的可行性，为领域发展拓展了新的方向。

钙钛矿薄膜中缺陷的介电屏蔽和“缺陷隐身”示意图

        论文的共同第一作者为北京大学物理学院2016级博士研究生苏睿、2019届本科毕业生许昭鉴（现就读于普林斯顿大学）和2019年度博士后创新人才支持计划入选者吴疆博士，朱瑞研究员、张伟教授、Thomas P. Russell教授为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、山西省极端光学协同创新中心、北京大学长三角光电科学研究院等单位的大力支持。


       文章来源：北京大学
        朱瑞，北京大学物理学院现代光学研究所，研究员/博士生导师，入选中组部重要人才计划青年项目计划（第五批），获国家基金委“优青”资助（2017年）。2003年本科毕业于南京大学；2007年博士毕业于复旦大学先进材料研究院；2007~2009在新加坡国立大学从事新能源材料相关研究工作；2009年~2012年于美国加州大学洛杉矶分校展开博士后研究工作；2013年加入北京大学物理学院。已在Science、Nature Photonics、Nature Communications、Advanced Material、Nano Letters等期刊上发表论文60余篇，总引次数超过5500次，H因子为31。在新型太阳能电池和透明导电电极技术等研究方向取得了一系列研究成果。目前主要从事钙钛矿型太阳能电池材料及器件的研究。
       龚旗煌，男，1964年出生，汉族，福建省莆田市人。1983年毕业于北京大学物理系，1989年获北京大学物理系博士学位（中英联合培养）。2013年当选为中国科学院信息技术科学部院士。现任北京大学博雅讲席教授、长江特聘教授、人工微结构和介观物理国家重点实验室主任、北京大学副教务长、研究生院常务副院长、现代光学所所长；兼任中科院——北京大学超快光科学和激光物理联合中心副主任，北京大学光电研究中心主任。
      1995年获国家自然科学基金委“杰出青年科学基金”资助，任科技部“极端光学”创新研究团队负责人和国家自然科学基金委“创新研究群体”学术带头人，担任国家973项目首席科学家和“极端光学”系统创新中心首席科学家。研究领域为非线性光学及超快光子学。从1983年起，从事非线性光学前沿与时空小尺度光学研究，从物性、新效应及应用等方面开展了系统性的创新研究。提出通过激发态电荷快速转移实现超快及巨大三阶非线性光学响应的新方法，实现了高性能超快低阈值全光开关；开拓飞秒/纳米时空高分辨光学测量，实现纳微结构超快光调控及电子态的人工调控。在Nature Photonics, Nature Physics, Physics Reports和PRL等发表论文700余篇，SCI他引8000余次， H因子 40。授权发明专利26项，在纳米光子学会议、非线性光学材料器件会议等国际重要系列会议作邀请报告50余次。2011年获国家自然科学二等奖（第一完成人）、2003年获北京市科学技术一等奖（第一完成人）、2016年获何梁何利科学与技术进步奖、2015年获教育部自然科学一等奖、1996年获中国光学学会“王大珩光学奖”、1997年获香港求是科技基金会“杰出青年学者奖”、2005年获中国物理学会“饶毓泰物理奖”。 研究成果2012年和 2014年两次入选“中国高等学校十大科技进展”。他还获得国务院“政府特殊津贴”、“北京市十大杰出青年”、“中国青年科技奖”、“全国优秀留学归国人员”、“做出突出贡献中国博士学位获得者”、“全国优秀博士后奖”、“全国优秀科技工作者”和中国侨界“创新团队奖”及“全国优秀归侨”等荣誉和称号。
        现任国际刊物Chemical Physics，Opt. Commun.，Adv. Opt. Matt.编委，《中国科学G报》常务副主编，《科学通报》，《物理学报》，Chin. Opt. Lett.和Chin. Phys. B等刊物副主编；曾任Opt. Lett.和Chem. Phys. Lett.编委。担任国际物理与应用物理联合会（IUPAP）量子电子学专委会秘书员和美国光学学会（OSA）国际委员会、Fellow遴选委员会委员等职。兼任中国科协常委、第六、七届国务院学位委员会物理，天文学科评议组成员；教育部科技委委员；国家基金委数理学部专家咨询委员；中国光学学会副理事长兼秘书长、基础光学专业委员会主任；中国物理学会副理事长；北京光学学会副理事长。当选美国光学学会Fellow、英国物理学会Fellow和中国光学学会会士。