李刚/胡汉林/万学娟：港深携手，明晰高效稳定钙钛矿太阳能电池的量子阱实时形成机理

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，因其优异的光电转换效率（单结小面积有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池认证效率已达25.5%）、低廉的成本，优良的印刷适配性以及力学柔性等特点，在新能源领域展现出了巨大的应用前景。然而基于ABX₃传统三维结构的钙钛矿材料由于自身的离子迁移，薄膜内应力，以及在外界光、热、水等因素下很容易被分解破坏，面临着长期稳定性差的问题，严重制约了其实际应用。因此，在保证器件效率的前提下，如何提升器件的长期稳定性已经成为横亘在钙钛矿太阳能电池商业化道路上亟待解决的问题。钙钛矿量子阱（二维或准二维钙钛矿结构）由于其特殊的一维受限结构，以及有机层（长链铵离子）的强疏水特性，因此拥有出色的稳定性，使得所制备的器件具有良好的耐辐照、耐高温和耐湿度特性。针对这种方式的量子阱修饰三维钙钛矿结构的太阳能电池，国内外的研究小组均开展了广泛的研究。现有的报道主要集中在器件的效率和稳定性，对量子阱修饰三维钙钛矿薄膜的研究局限于静态表征，而对于量子阱的动态形成机理却鲜有报道，尤其是对在不同条件下的钙钛矿量子阱实时生长机理依然很不清楚。

图1. 原位掠入射角广角X射线散射对三维钙钛矿表面量子阱形成过程的实时表征。

香港理工大学李刚教授与深职院霍夫曼先进材料研究院胡汉林副教授、深圳大学万学娟副教授，利用基于高能量高方向性同步辐射源的时间分辨掠入射角X射线散射（TS-GIWAXs）技术，实时表征了在三维钙钛矿表面通过涂布长链有机铵盐溶液法所制备钙钛矿量子阱动态形成过程（如图1所示），明确了与长链有机铵分子发生反应的反应物为三维钙钛矿的本体材料；并且相关的离子反应速率极快，数秒内就可以完成。反应形成的中间态同时奠定了量子阱修饰三维钙钛矿最终薄膜的形成基础。形貌上，与传统的三维钙钛矿吸光层相比，经过钙钛矿量子阱改性后，钙钛矿活性层表面的晶粒尺寸明显增加，表面缺陷态减少载流子的寿命明显提升，如图2所示。

图2. （a-b）传统三维钙钛矿吸光层以及经过钙钛矿量子阱表面改性后的钙钛矿吸光层的扫描电子显微镜图片；（c）对应两种样品的时间解析光激荧光光谱曲线。

图3. （a）不同钙钛矿量子阱改性三维钙钛矿后的耐湿稳定性能, (b) 不同钙钛矿量子阱改性三维钙钛矿在空气中暴露后再制备器件对应的效率；(c) 以氟化聚三芳胺（1F-PTAA）作为空穴传输层所制备钙钛矿电池在热循环条件下的稳定性测试。

基于钙钛矿量子阱改性三维钙钛矿的n-i-p太阳能器件（FTO/SnO₂ 电子传输层/钙钛矿/空穴传输层/金），作者进一步以氟化聚三芳胺（1F-PTAA）取代常用的PTAA作为稳定的空穴传输层，实现了更高的开路电压（1.15 V 提升至 1.21 V），及效率超过22 %的钙钛矿太阳能电池。同时太阳能电池器件展示出优良的耐湿和抗热稳定性，特别是很少报道的优异加热循环测试稳定性（x10），如图3所示。

该工作为未来进一步提升钙钛矿太阳能电池的技术水平与科学研究提供了新的视角与方法指导。

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Perovskite Quantum Wells Formation Mechanism for Stable Efficient Perovskite Photovoltaics - A Real‐Time Phase‐Transition Study

Hanlin Hu, Minchao Qin, Patrick W. K. Fong, Zhiwei Ren, Xuejuan Wan*, Mriganka Singh, Chun‐Jen Su, U-Ser Jeng, Liang Li, Jiajie Zhu, Mingjian Yuan, Xinhui Lu, Chih‐Wei Chu, Gang Li*

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202006238

研究团队简介

李刚教授，现任职于香港理工大学电子与资讯工程学系，钟士元爵士可再生能源教授，港理工 智慧能源研究院副院长。李刚教授主要从事有机聚合物及有机无机杂化半导体材料与器件(太阳电池,发光二极管)，光物理及器件物理等方面研究工作。并有多年在有机太阳能初创公司 (Solarmer Energy Inc.) 领导印刷太阳能电池制备的团队研发经历，实现了数个有机太阳能电池的世界纪录。在Nature Materials, Nature Photonics, Science, Chemical Reviews，Nature Communication, Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society， Physical Reviews B 等发表SCI论文150余篇, 被引 62,000余次 （谷歌学术），H-因子 73, 其中有17篇论文超过1000次引用。自2014年起当选汤姆森-路透/科维瑞安“高被引研究员”（材料科学 2014-2020，化学 2017-18 ，物理学2018）。先后主持各级科研项目多项，包括香港研究资助局（RGC）GRF及CRF，国家自然科学基金会 （NSFC），深圳市基础研究学科布局项目等。现为英国皇家化学会会士（FRSC），国际光电工程学会会士（FSPIE）。

胡汉林，深职院霍夫曼先进材料研究院副教授。2017年在沙特阿卜杜拉国王科技大学获博士学位，随后加入香港理工大学李刚教授课题组开展博士后研究。美国康奈尔光源和台湾光源的授权用户，深圳市海外高层次人才。已发表学术论文30余篇，其中第一作者或通讯作者论文12篇，包括Adv. Mater，Mater. Sci. Eng. R Rep., Adv. Funct. Mater.等国际期刊。主要研究方向为打印光电器件（太阳能电池及发光二极管），以及基于同步辐射对材料晶相转变的实时追踪。

因课题研究的需要，胡汉林与李刚课题组联合招聘有有机及钙钛矿光电材料背景的博士后研究人员3名，（税前38W/年）工作地点深圳，符合深圳市人才要求的候选人将提供相关支持。细节参见

http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=14563002&target=1

有意者可以联系：

胡老师：hanlinhu@szpt.edu.cn

李老师：gang.w.li@polyu.edu.hk