暨南大学唐群委教授课题组近年来工作进展

唐群委，1980年出生于山东省昌邑市，现为暨南大学教授、博士生导师；2000年8月-2004年4月本科就读于山东大学，获得工学学士学位；2004年9月-2009年6月在华侨大学吴季怀教授课题组硕博连读，并获得工学博士学位；随后在法国斯特拉斯堡大学和美国南卡罗莱纳大学开展博士后研究；2012年8月-2018年3月任中国海洋大学材料科学与工程学院教授；2018年6月就职于暨南大学新能源技术研究院。

唐群委教授（2018年1月拍摄于青岛）

唐群委教授主要从事新型太阳能电池和海洋能捕获的研究，主持国家、省（部）级课题10余项；以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Nano Energy 等刊物发表SCI论文200余篇，论文被引用近7000次，H-index = 37；以第一完成人授权国家发明专利16项，获高等学校科学研究优秀成果二等奖2项，山东省高校优秀科研成果一、二、三等奖各1项，出版中、英文专著各1部；2014年被评为英国皇家化学学会的高被引作者（Top 1%），1篇论文被选为Altmetrics化学学科TOP 30。多项研究成果多次得到CCTV、新华社、科技日报、科技部等权威媒体和机构报道。

本文选取唐群委教授课题组近年来在染料敏化太阳能电池和全无机钙钛矿太阳能电池领域的代表性文章来介绍唐群委教授的主要研究工作。

（一）染料敏化太阳能电池

对电极作为染料敏化太阳能电池（DSSC）的关键组成部分，主要起到收集外电路电子、催化电解质的还原反应、促进染料分子再生的作用，对提高电池的光电转换效率至关重要。目前常用的对电极材料为铂对电极，高昂的价格以及在电解质中的溶解反应限制了DSSC的商业化进程。因此，该课题组致力于高效、低成本、稳定的对电极开发。

（1）合金对电极

唐群委教授课题组于2014年利用液热法成功合成了Co-Ni非铂合金对电极，通过调控电极组分，可将DSSC的光电转换效率提升至8.39%，高于传统铂对电极组成的电池器件（图1），该工作发表在国际权威期刊Angew. Chem. Int. Ed.上（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10799）。

图1. 采用CoNi合金对电极制备的DSSC及其J-V 曲线。

他们还通过电化学阻抗谱、塔菲尔极化曲线等测试手段，表明CoNi_0.25具有最优的催化性能。同时，该课题组还合成了上百种低铂合金对电极（Counter Electrodes for Dye-Sensitized and Perovskite Solar Cells, Chapter 3, Wiley Publishing; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14412; J. Power Sources, 2015, 297, 1），证明由过渡金属和铂合金化制备的合金对电极在DSSC中具有广阔的应用前景。

（2）透明合金对电极

太阳能电池的光面捕光技术能有效提高发电功率并降低发电成本，而透明对电极是制备高效双面DSSC的关键。该课题组开发了透光率达到90%以上的Se掺杂透明M_xSe（M = Co, Ni, Cu, Fe, Ru等）合金对电极。如图2所示，所制备的M_xSe合金具有很好的结晶性，同时具有大量的孔隙以及高比表面积，能够加速电解质的传输速率以及增加电解质的还原活性位点，分别获得了9.22%和5.90%的正、反面电池效率。该工作发表在国际权威期刊Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 14569）上，并被评为VIP论文。

图2. 常规Pt对电极和透明M_xSe合金对电极的（a）透光率及其双面DSSC在（b）正面和（c）反面光照下的J-V 曲线。

透明合金对电极为高效利用电池背面的反射光和散射光，提高发电总量提供了新的思路。研究发现，对电极表面的电子密度对于提升催化活性和电池效率具有极其重要的推动作用。在随后的工作中，唐群委教授课题组采用生物质转换碳量子点（CQDs）对透明CoSe合金的表面修饰制备了具有光致激发特性的透明合金对电极，在背面散射光照射下极大提高了催化活性（图3）。双面DSSC的背面电池效率提升至国际公开报道最高的7.01%，相关工作发表在Chem. Commun.（Chem. Commun., 2017, 53, 9894）上。

图3. 透明（a）CoSe和（b）CQDs/CoSe透明合金对电极在光照和暗光下的CV曲线及其正面和反面光照下的J-V 曲线。

（3）合金对电极的耐溶解理论

金属铂在含有I^-/I₃^-对的氧化还原电解质中的热力学溶解反应是降低DSSC长期稳定性的主要因素之一。唐群委教授课题组开发了一系列低铂合金对电极并系统研究了其稳定性能，相关工作在Angew. Chem. Int. Ed.发表（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11448）（图4）。

图4. 低铂合金对电极经连续100次CV和EIS循环测试的变化规律。

他们还通过热力学研究发现，过渡金属与电解质中的I₃^-以及I₂等反应具有比金属铂更负的吉布斯自由能。因此，过渡金属与铂在电极表面形成了竞争溶解反应，有效抑制了铂原子的溶解，增加电极的稳定性。

图5. 低铂合金对电极的耐溶解机制。

（二）CsPbBr₃无机钙钛矿太阳能电池

（1）多步旋涂制备技术

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC）的光电转换效率在短短数年时间里已由最初的3.8%提升至23.3%，表现出极大的应用潜力。美中不足的是其在高湿、高温、UV光照下的长期稳定性能不尽如人意，而以CsPbBr₃为代表的全无机钙钛矿因具有独特的化学和热稳定性，能够实现全无机PSC在空气中的组装，受到科研人员的广泛关注。然而，由于溴化铯与溴化铅饱和溶解度具有巨大的差异，导致高质量CsPbBr₃薄膜的制备技术遇到瓶颈。区别于传统的一步法或两步法，唐群委教授课题组开发了一种多步旋涂技术（图6），其核心技术是在溴化铅薄膜上连续旋涂多层溴化铯溶液，直至获得高质量的CsPbBr₃薄膜。相关工作在Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3787）、Adv. Energy Mater.（Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.201802346）、 Small（Small, 2018, 14, 1704443）、ChemSusChem（ChemSusChem, 2018, 11, 1432）、Chem. Commun.（Chem. Commun., 2018, 54, 8237）等刊物上发表。

图6. 采用多步旋涂技术制备CsPbBr₃薄膜的流程示意图以及不同旋涂次数时钙钛矿薄膜的SEM成像。

如图7所示，随着溴化铯旋涂次数的变化，无机钙钛矿薄膜的成分也在逐渐变化。通过XRD卡片比对以及EDS成分含量的测试，他们发现在多步旋涂过程中，薄膜实现了CsPb₂Br₅ → CsPbBr₃ → Cs₄PbBr₆三相的转变。其主要的反应如下：

图7. 旋涂过程中钙钛矿薄膜晶相和组分的演变过程。

通过优化旋涂次数，唐群委教授课题组获得了高纯度的无机CsPbBr₃钙钛矿薄膜，通过优化电池的界面获得了国际公开报道最高9.72%的CsPbBr₃电池效率。同时，CsPbBr₃电池表现出优异的稳定性能：在相对湿度为90%的空气环境中，经过130天的稳定性测试，电池效率仍能保持在最初的87%；在80 ℃的环境下，经过60天的稳定性测试，电池的效率基本没有变化。

（2）同时捕获光能、水蒸汽能的无机钙钛矿太阳能电池

为了实现CsPbBr₃基全无机PSC对太阳能和其它能量的集成，提高器件发电功率，唐群委教授课题组设计了一种基于多孔碳背电极的无空穴CsPbBr₃电池器件，实现了对太阳能与水蒸汽能的捕获。其基本原理是在光照情况下，碳背电极可以提取CsPbBr₃的光生空穴，实现电池的正常运转；而在水蒸汽的流动作用下，水蒸汽在多孔碳电极中电离成H⁺和OH^-离子并产生流动电势，实现水气诱导发电。通过优化电池的能级结构以及碳电极的表面结构，电池在光照条件下可以获得9.43%的光电转换效率，同时在80%的相对湿度下可以获得0.35 V的电压和0.45 μA的电流（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 5746）。由于无机钙钛矿CsPbBr₃具有非常优异的稳定性，因此该电池仍可以在该湿度下保持非常优异的稳定性，对开发多能集成的光伏电池提供了新的思路。

图8. 同时捕获光能和水蒸汽能的CsPbBr₃基全无机PSC器件。

导师介绍

唐群委

http://www.x-mol.com/university/faculty/49897