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香港大学蔡植豪教授近年来工作进展概览

蔡植豪教授简介:


蔡植豪(Wallace. C. H. Choy),香港大学教授、博士生导师,多年从事半导体光电子器件的理论与实验研究,1999年博士毕业于英国萨里大学后,曾先后在加拿大国家研究中心、美国伊利诺斯大学、美国加州硅谷的日本富士通化合物半导体公司工作;目前为香港大学电子与电子工程学系教授,研究兴趣主要涉及有机小分子/聚合物、钙钛矿和其它半导体薄膜太阳能电池以及发光二极管的研究,纳米材料与器件包括材料生长、器件制备及其光电特性等的研究。2014至2017年,蔡植豪教授的论文引用达到ESI中引用最多科学家的前1%,同时于2014年被《自然》杂志誉为香港有机太阳能电池领域prolific researcher(WFC in physical sciences)。


蔡植豪教授发表了超过180篇期刊论文以及诸多专利,其中12篇论文作为Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem. Commun.等期刊的封面文章。同时他还是OSA的fellow及IEEE的senior member,并担任Nature Publishing Group旗下Scientific Reports、IOP Journal Physics D、Wiley Solar RRL 的编委会成员,IEEE Photonics Journal 的高级编辑,OSA Journal of the Optical Society of America B 的专题编辑、OSA Journal of Photonic ResearchJournal of Optical Quantum Electronics 客座编辑。

蔡植豪教授


蔡植豪教授课题组近年来致力于高稳定性高效率钙钛矿光电器件的研究,本文选取在钙钛矿领域的相关文章来介绍蔡植豪教授的主要研究工作。


(一)稳定高效的钙钛矿太阳能电池


蔡植豪教授课题组致力于通过多个方面提升钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性。2018年,蔡植豪教授课题组发表在Energy & Environmental Science(DOI: 10.1039/C8EE00580J)的工作介绍了一种通用的器件配体后处理(PDL)方法。该工作通过二乙烯三胺(DETA)与钙钛矿薄膜之间的相互作用,有效修饰了钙钛矿有源层表面,明显改善和修复已经制备好的太阳能电池器件中有源区的缺陷,从而提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。经过该方法处理的器件效率最高可提升900%,同时能量转换效率(PCE)可以从18.7%提升至20.13%,在500小时内PCE衰减不超过30%。

图1.(a)PDL处理流程图;(b)器件处理前后的吸收谱。


2017年该课题组发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604695)的工作中首次利用吡啶的促进作用(Pyridine-Promoted)实现了常温下高质量钙钛矿薄膜的制备,并利用其制备出PCE达到17.1%、可稳定保存1000小时以上PCE衰减不超过5%的高质量钙钛矿太阳能电池。

图2.(a)高质量钙钛矿薄膜的制备过程;(b)吡啶对钙钛矿的作用效果;(c)制备的钙钛矿太阳能电池的稳定性测试。


他们发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201702722)上的工作首次利用NiCo2O4纳米颗粒作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层,同时实现了高效率与高稳定性。作者首先利用可控的脱氨基作用,合成了尺寸小、分散性好、不容易产生针孔(pin-hole)的NiCo2O4纳米颗粒,然后将其用作空穴传输层材料,制备出PCE达到18.23%、500小时内PCE衰减不超过10%的稳定高效钙钛矿太阳能电池。

图3.(a)NiCo2O4纳米颗粒的制备过程;(b)NiCo2O4纳米颗粒上旋涂钙钛矿的AFM成像;(c)制备的钙钛矿太阳能电池的稳定性测试。


而早在2015年,该课题组发表在ACS Nano(DOI: 10.1021/nn505978r)上的工作中就利用真空辅助的热退火工艺提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。文中指出,在使用前驱体PbCl2和CH3NH3制备CH3NH3•Pbl3时,会有影响钙钛矿膜性能的副产物CH3NH3Cl产生,而利用真空辅助的热退火工艺对合成产物进行处理,可以促进MACl的消除,从而形成纯净、不附带任何副产物的钙钛矿膜。利用这种高质量膜制备的钙钛矿太阳能电池,可以达到PCE为14.5%的效率。

图4.(a)(b)手套箱和真空腔内退火的对比;(c)制备钙钛矿太阳能电池的SEM成像。


(二)高性能钙钛矿光电探测器


该课题组最近发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201706068)上的工作介绍了一种基于MA-Rb和Sn-Pb掺杂的钙钛矿光电探测器,引入Rb增强了Pb/Sn与I原子之间的轨道相互作用,同时也影响了MA离子与卤化物之间的氢键结合,从而生长出致密平整的钙钛矿薄膜,并降低钙钛矿表面的电势差,提升载流子寿命。基于这一原理制备出的钙钛矿光电探测器能实现紫外到近红外(300 nm – 1100 nm)的广谱探测,线性动态范围(LDR)可达110 dB,响应度可达1012 Jones。

图5. (a)-(d) Rb掺杂钙钛矿光电探测器的性能测试。


该课题组2016年在ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.6b02425)上发表的工作中制备了NiOx:PbI2纳米复合材料,并将其作为空穴提取层制备了高性能钙钛矿光电探测器。由于NiOx:PbI2材料能够使MAPbI3更加致密而有序,同时该材料能够钝化钙钛矿表面,并提供较大的电子注入势垒,因此基于NiOx:PbI2的钙钛矿光电探测器具有优秀的探测性能。通过进一步优化NiOx:PbI2的结构,他们实现了2×10-10 A/cm2的低暗电流、112 dB的线性动态范围(LDR)以及在450 nm至750 nm之间1013 Jones的高响应度。

图6.(a)基于NiOx器件性能的对比;(b)制备的器件结构;(c)(d)制备的光电探测器性能的测试。


(三)钙钛矿发光二极管(LED)


该课题组于2016年发表在Nanoscale(DOI: 10.1039/c6nr08195a)的工作中制备了一种基于钙钛矿/PEtOZ纳米复合材料的近红外LED。通过将PEtOZ掺入MAPbI3钙钛矿层中,钙钛矿的晶体尺寸降低了20至30 nm,从而提升了载流子的复合效率,并通过抑制激子扩散增加了器件的辐射速率。此外,PEtOZ还能降低钙钛矿表面的粗糙度,提升成膜质量。他们基于该材料的钙钛矿近红外LED,实现了当时同类LED中最高的外量子效率(EQE = 0.76%)。

图7.(a)(b)PEtOZ对钙钛矿成膜性的提升;(c)制备的器件结构;(d)器件能带图。


随后,该课题组于2017年发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201606525.)的工作中介绍了一种纳米图形制备钙钛矿周期纳米结构的方法。钙钛矿通过相变法在一个周期模具中重结晶,可以避免传统钙钛矿对极性溶剂及高温环境的不耐受性,从而直接制备出高质量的钙钛矿周期性光栅结构。同时,这一制备方法还可以提升钙钛矿光栅的取光效率及自发辐射速率。以钙钛矿光栅结构为有源层制备的钙钛矿LED发光强度达到传统器件的两倍,且开启电压也得以降低。

图8.(a)(b)钙钛矿光栅的微观/宏观结构;(c)制备LED器件的发光强度;(d)器件的配光曲线图。


导师介绍

蔡植豪

http://www.x-mol.com/university/faculty/49790


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