震撼!僅2個月,發表1篇Science,10餘篇子刊/AM/JACS—加拿大兩院院士Sargent教授成果集錦

Edward H. Sargent教授是加拿大皇傢科學院院士、加拿大工程院院士,加拿大納米技術領域的首席科學傢,加拿大多倫多大學副校長。主要從事發光和能量轉換器件、生物傳感以及能源催化劑制備相關的研究工作。他在國際上不僅開拓瞭膠體量子點 (CQDs)的光探測和轉換研究領域,還聚焦於日益突出的能源短缺與環境污染問題,通過化學、納米和能源的跨學科跨理論建模研究,一方面研制出綠色環保的新型鈣鈦礦太陽能電池(光電轉換效率世界紀錄保持者),另一方面積極探索研究新型用於制備可再生燃料和化工原料的催化劑。Edward教授在不斷積極探索新方法、新材料和新原理的同時,也註重將實驗室的縱向研究成果轉化為可以面向大眾的商品,目前已成立三傢科技公司,實現瞭科學技術與生產力之間的轉換。

震撼!僅2個月,發表1篇Science,10餘篇子刊/AM/JACS—加拿大兩院院士Sargent教授成果集錦
EdwardH. Sargent教授團隊成員合影

在此,我們梳理瞭Edward H. Sargent教授團隊2020年以來在光轉換材料、器件和催化鄰域取得的研究成果,其中包括1篇正刊,6篇子刊,7篇Joule/AM/JACS/ACS Nano/Adv.Sci,頗為震撼!小編將圍繞以下四點來展開:

一.電解催化

二.新型膠體量子點的制備和應用

三.鈣鈦礦光電器件

四、其他

註:本文僅選取瞭Edward H. Sargent院士作為(共同)通訊作者的論文;由於學術水平有限,所選文章及其表述如有不當,敬請批評指正。

一.電解催化

1.Science:創紀錄的速度,把二氧化碳轉化為乙烯!

電解催化CO2還原為CO以及多碳有機物有望緩解目前日益突出的能源緊張與環境污染問題。一般的電解催化裝置需要在水溶液中通過電解水來為多碳有機物提供質子,這就導致瞭一個嚴重的問題:CO2在水溶液中的擴散能力很差(堿溶液中擴散長度隻有幾十納米),因此導致瞭低的電解電流密度(<100 mA cm−2)和低的能量轉換效率,同時,由於電解催化反應在氣( CO)-固(催化劑)-液(電解液)三相復合區進行,親水的催化劑活性層會在高堿性環境下被腐蝕融入電解液,導致催化活性不斷下降以及析氫反應加劇。

基於此,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊聯合David Sinton教授團隊設計瞭一種能夠將氣體、離子和電子解耦合的含金屬-離子聚合物復合結構電解催化體系( CIBH ),在電解CO2制備多碳化合物時電流密度超過1 A cm−2,為目前報導的最高值。作者選用具有親水-SO3基團和疏水-CF2基團的聚全氟磺酸(PFSA)塗覆在催化劑表面來實現CIBH這一結構,塗覆層表面的親水基團接觸催化劑使之與電解液充分浸潤接觸,有利於質子的產生,而內部的疏水通道則有利於CO2的傳輸。結果顯示,厚度僅為5-10nm的塗覆層可以使CO2擴散長度提升近400倍,達到瞭微米級別。將該結構分別應用到Ag和Cu基的催化劑上進行CO2還原制備CO,Ag-CIBH和Cu-CIBH催化體系的電流密度分別能夠達到400 m Acm−2和340 m Acm−2,而原始的Ag和Cu催化劑電流密度分別隻有54 mA cm−2和64 mA cm−2。在此理念上,作者設計瞭3D Cu- CIBH催化體系,在7M KOH電解液中CO2流量達到瞭50 cm3min –1,最大電流密度達到瞭1.32 A cm−2,陰極能量效率提高瞭45 %,這項技術大大提升瞭電解催化CO2制備多碳有機物在工業上的實際應用可行性(《Science》:創紀錄的速度,把二氧化碳轉化為乙烯!)。

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參考文獻:

de Arquer F P G,Dinh C T, Ozden A, et al. CO2 electrolysis to multicarbon products atactivities greater than 1 A cm− 2[J]. Science, 2020, 367(6478): 661-666.

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661

2.Nature catalysis:調整催化劑OH結合能實現選擇性將乙烯電解成乙二醇

乙二醇是一種重要的制冷劑和聚合物單體,全球每年的消耗量達2000萬噸。目前工業上主要是采用以乙烯為原料,環氧乙烷為中間體的高溫兩步法來制備乙二醇,這對環境造成瞭巨大的污染(該方法生產一噸乙二醇會排放1.6噸的CO2)。隨著可再生電能技術的快速發展,通過電解催化乙烯以一部法來制備乙二醇逐漸成為替代目前兩步法的最佳方案,然而,現在存在主要的問題有兩個:一是制備效率低;二是得到的副產物(乙醛、乙酸和氧乙烷)較多。

針對這一問題,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊采用直接摻雜的方法制備瞭一種Au摻雜Pd納米樹突結構復合催化劑( Pd Au DNT ),Pd Au DNT能夠高選擇性地將乙烯電解催化成乙二醇。研究發現電解催化乙烯制備乙二醇中最難的一步是OH與中間體*C2H4OH結合形成乙二醇,而常規Pd催化劑的OH結合能較高(0.74 eV),不利於*OH附著在催化劑表面進行下一步反應。經過密度泛函理論計算,Au元素高的釋放能(−0.06 eV)可以降低催化劑與OH的結合能,並且通過實驗證明:僅摻雜3.2at.% Au的Pd Au DNT催化劑,電解催化乙烯制備乙二醇的法拉第效率達到80 %,局部電流密度達到5.7 mA cm−2,在1.1V,以Ag/AgCl為參比電極的條件下連續工作100 h後其催化能力基本保持不變,而相同條件下的Pd DNT催化劑法拉第效率約隻有60 %,局部電流密度僅為2.5 mA cm−2,不到Pd Au DNT催化劑的一半。

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參考文獻:

Lum Y, Huang JE, Wang Z, et al. Tuning OH binding energy enables selective electrochemicaloxidation of ethylene to ethylene glycol[J]. Nature Catalysis, 2020: 1-9.

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4

3.JACS:降低CO2濃度提高對甲烷電解催化的轉化率

甲烷是結構最簡單的有機化學物,是一種重要的清潔燃料和工業原料。通過電解催化法可以制備包括甲烷在內的大量有機物,但是目前制備甲烷時選擇性還很低,法拉第效率大概隻有(18 ± 4)%,大大降低瞭生產效率。

近日,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊研究發現電解過程中*CO質子化成*CHO(甲烷的前驅體)與*CO發生C-C耦合成C2化學物的反應是一對競爭反應,並通過降低*CO在催化劑表面濃度的方法促進瞭*CO的質子化,提高瞭甲烷的選擇性電解催化制備。研究者在1M KHCO3電解液中,以沉積在多孔PTFE上的納米Cu作為催化劑體系,研究瞭不同CO2濃度對甲烷的選擇性電解催化制備的影響。CO2濃度分別為25%, 50%, 75%和100%的氣體源測試結果表明,在低電流密度下(≤100 mA cm−2),FEmethane/FEC2+值(甲烷與二碳化學物含量比)值幾乎不隨CO2濃度的變化而變化,而在高電流密度條件下(200−250 mA cm−2), FEmethane/FEC2+值隨著CO2濃度的下降而上升,說明這種以調節CO2濃度進而控制*CO濃度的方法可以大大提升甲烷的選擇性制備。最終,在CO2濃度為75 %,電流密度為108 ± 5 mA cm−2的條件下,甲烷的法拉第效率達到瞭(48 ± 2) %,並且在連續工作22 h後效率能夠保持在42 %。

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參考文獻:

WangX, Xu A, Li F, et al. Efficient methane electrosynthesis enabled by tuninglocal CO2 availability[J]. Journal of the American Chemical Society, 2020.

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12445

4.Advanced Materials:水合作用促進中性條件OER反應

中性電解液條件下的氧還原反應(OER)提高瞭在生物混合系統中制備可再生燃料和化學品的可行性。然而,由於中性電解液中反應物濃度比堿性電解液的濃度低幾個數量級,導致目前中性電解液中OER的超電勢超過瞭460 mV (10 mA cm 2電流密度條件下)。雖然最近研究報道的氧化銥(IrO2)、Co基、Ni基、和Mn基催化劑可以減低超電勢,但是這些催化劑還不能滿足低於350 mV的超電勢和長的使用壽命(>500 h)這一要求。

針對這一問題,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊南開大學Zhang Xiaodan 教授團隊合作采用在催化劑中引入水合離子通過降低催化劑與氧的距離來促進水吸收的策略,將中性電解液中的OER反應超電勢降低至310 mV (10 mA cm 2電流密度條件下)。研究表明,提高催化劑與水的吸附性可以提高中性體系中OER反應的性能,研究者制備瞭兩種含雜離子的復合催化劑:一是含促進水合作用的Mg離子Ni–Fe–Mg (HEP )催化劑,另一種是含抑制水合作用的Ba離子Ni–Fe–Ba ( HEL )催化劑。在CO2飽和的0.5 M KHCO3溶液中進行三電極線性掃描伏安法( LSV )極化測試,結果表明相比於HEL型催化劑,HEP型催化劑在10 mA cm 2電流密度條件下隻需要514 mV的超電勢。將HEP型催化劑負載在Au包裹的Ni泡沫上,其OER反應超電勢降低至310 mV,在連續的900 h測試過程中,法拉第效率一直保持在98 % ± 2 %范圍內,大大提高瞭能量利用率。

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參考文獻:

WangN, Cao Z, Zheng X, et al. Hydration‐Effect‐Promoting Ni–Fe OxyhydroxideCatalysts for Neutral Water Oxidation[J]. Advanced Materials, 1906806.

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906806

二.新型膠體量子點的制備和應用

1.Nature Communication:串聯法改性膠體量子點用於太陽能電池

膠體量子點(CQDs)有著自下而上的精確尺寸和化學結構可調的特性,在光電領域有著重要的應用。例如在在能源方面,通過控制CQDs的表面性質及其器件結構,可以提高載流子的擴散長度進而制備高功率轉換效率(PCE)的太陽能電池。然而在制備本征均質結構CQDs器件時發現:雖然CQD在載流子提取和傳輸方面具有優勢,但由於很難對CQD的表面進行高效而穩定的鈍化,因此本征均質結構器件的性能還沒有超過平面器件。其根本原因在於修飾改性時摻雜的配體有較大的空間位阻,導致瞭表面產生大量的缺陷。而且不同配體修飾的CQDs油墨相容性較差,混合在一起制備太陽能電池薄膜時會導致CQD的聚集,從而影響光電器件性能。

鑒於此,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊和韓國先進科技學院的Lih Juann Chen教授團隊研究者基於串聯表面修飾(CSM)的策略,制備瞭一種n型和p型CQD油墨均勻分佈的本征均質結構CQDs塊體,用於制備太陽能電池薄膜。其中,CSM策略包括兩個步驟:先對CQD表面進行初始鹵化(鈍化),然後再用功能配體重新修飾CQD表面,以控制得到的CQD油墨具有特定的摻雜特性和溶解性。該策略合成的p型和n型CQD油墨同時具備優異的表面鈍化和混溶性,可以獲得穩定的混合量子點膠體。混合膠體制備的本征均質結構薄膜的中,由於光激發載流子在不同物理路徑上的分離和輸運得到瞭優化,因此載流子擴散長度得到顯著提升,達到瞭340 nm,相比於之前純p-型CQD油墨制備的薄膜最高值(221 nm)提升150 %,制備的太陽能電池的PCE值達到瞭目前CQDs電池中最高的13.3 %,並在AM1.5G的測試條件下(氮氣氛圍)連續工作110 h後隻降低瞭13 %。

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參考文獻:

ChoiM J, de Arquer F P G, Proppe A H, et al. Cascade surface modification ofcolloidal quantum dot inks enables efficient bulk homojunctionphotovoltaics[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-9.

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13437-2

2.Advanced Materials穩定表面鈍化提高膠體量子點光伏器件空氣氛圍工作穩定性

膠體量子點(CQDs)應用在光伏器件(PV)上目前面臨的一個問題是在空氣中不能穩定地工作,這是因為CQDs有很大的比表面積,在O2氛圍中很容易被氧化。研究發現具有大原子半徑的鹵化物,如碘化物,可以對CQDs進行表面鈍化修飾來抑制氧化作用,比如用PbI2對PbS型CQDs進行修飾後,光伏器件在空氣中儲存1000h後仍然可以保持90%的工作效率。但是在實際應用是在電場條件下進行的,所以在進行測試時應當在最大功率點(MPP)運行,進而再來評價光伏器件的性能。例如,在MPP狀態下對PbI2修飾鈍化的CQDs光伏器件進行測試,結果發現在空氣中連續測試50 h後隻有75%的有效功率得到瞭保持,這遠遠低於之前文獻報道的1000 h和90 %。那麼如何才能制備出抗氧化性能優異的CQDs光伏器件呢?

近日,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊通過一種二次修飾方法—在PbI2修飾鈍化的CQDs表面再修飾一層抗氧化性更強的KI外殼,制備的CQDs光伏器件在MPP狀態(空氣氛圍)下連續工作300 h後仍然可以保持80 %的有效功率KI+PbI2的組合修飾體系對氧化作用的抑制明顯優於純的PbI2修飾體系,根據理論,Pb-O吉佈斯自由能(ΔGOPbO= −189.24 kJ mol−1)小於Pb-I吉佈斯自由能(ΔGOPbI2 = −173.59 kJ mol−1),因而O2入侵後,PbI2氧化成PbO,裡面的PbS膠體量子點被氧化成PbSO3和PbSO4;而K與I的結合能力更強(ΔGOKI= −322.29 kJ mol−1小於ΔGOK2O = −240.58 kJ mol−1),不容易被氧化,同時根據密度泛函理論(DFT)計算出KI對CQDs中的S位點有更強的保護作用。實驗結果發現0.02M的KI對CQDs抗氧化能力提升最大,制備的光伏器件薄膜在85 ℃空氣中處理後其吸收光譜也基本保持不變,說明材料未被氧化;加入的KI除瞭可以提高光伏器件的抗氧化能力,而且還提高瞭材料的載流子壽命(提高1.2倍)、電流載荷子遷移率和外部量子效率(EQE),進而其功率轉換效率(PCE)也從純PbS CQDs器件的11.4 %提高至12.6 %。

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參考文獻:

ChoiJ, Choi M J, Kim J, et al. Stabilizing Surface Passivation Enables StableOperation of Colloidal Quantum Dot Photovoltaic Devices at Maximum Power Pointin an Air Ambient[J]. Advanced Materials, 2020: 1906497.

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906497

3.Nano Letter:發射角度可調膠體量子點激光發射器

溶液中可加工的膠體量子點( CQDs )具有的更高熒光量子產率和更好的光穩定性等優點使其在相幹光源領域具有重要的應用潛力。但是CQDs受激發光時由於電子-空穴復合能轉移到第三電荷載流子上,而不是作為光子發射,從而導致瞭非輻射的Auger損失,造成發光效率降低。目前通常采用的策略是制備殼核結構的CQD來抑制非輻射Auger損失,因為寬能隙的殼除瞭可以使CQD載流子在耦合減弱的情況下使電子和空穴在空間上分離來提高核的光學增益外,大體積結構的殼(>10單分子層)也可以被受激發光。但是在投影顯示、遙感、芯片光學互聯等應用鄰域,往往需要激光方向可調,而CQDs發射器目前還很難做到這一點。

針對這一應用難題,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊聯合美國西北大學Teri W. Odom教授團隊利用等離子納米點陣中的高對稱性,制備瞭激發角度可調的CQDs激光發射器。研究人員首先在Si板上制備瞭間距為400 nm,直徑和高度分別為70 nm和60 nm的納米Ag柱2D點陣,然後在點陣上覆蓋一層越90 nm厚的含殼( CdS )-核( CdSe )結構的CQD激發層薄膜。這種靠近點陣∆點的雜化波導表面晶格共振(W-SLR)模式將有利於激光從異常的角度發射,由於會得到來自W-SLR模式側帶的光反饋,激光波束被方位偏振化並呈圓環狀。通過改變點陣的周期性, 就可以來調節其他高對稱點(Γ或M)與CdS殼的激發光發生重疊來控制不同的激光角度。同時,通過簡單的增加CQDs薄膜的厚度,就可以獲得避免瞭在光子帶結構中交叉的高階W-SLR模式,進而擴展瞭空腔模式的選擇,可以實現任何角度的激光發射。

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參考文獻:

Guan J, Sagar LK, Li R, et al. Engineering Directionality in Quantum Dot Shell Lasing UsingPlasmonic Lattices[J]. Nano Letters, 2020.

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b05342

4.ACS Nano:偏振模式可控的量子點/等離子激光發射器

偏振態相幹光大大促進瞭光子技術的發展,在顯微、生物物理、量子光學等領域有著重要的應用。大多數依靠體積龐大的光學元件實現的偏振激光技術很難應用在微型的芯片器件上,因而能夠發射高效、具有理想偏振模式的納米級光源和器件目前成為瞭該領域的研究重點。其中,膠體量子點( CQDs )具有高的熒光量子產率和溶液相的可加工性等優點,是一種很有前途的納米發光介質,但是目前單純的CQDs器件還很難對激光偏振進行有效的控制。而等離子體納米粒子( NP )點陣作為一種特殊的納米結構,其中NPs之間的衍射耦合產生的表面晶格共振( SLRs )具有高質量的因子和受約束的亞波長模式。通過控制折射率、光偏振和點陣幾何結構來調節SLRs模式的帶結構,使得激發的波長可以實時調整,從而實現多種模式可切換的激光發射。

通過結合等離子NP點陣與CQDs的優勢,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊聯合美國西北大學的Teri W. Odom教授團隊制備瞭一種基於CQDs和等離子體金屬NP,由近場耦合來控制激光偏振模式的量子點等離子體激光器。在Ag NP點陣上塗覆一層含CdSe−CdS核-殼結構的CQD薄膜,高折射率CQD薄膜形成的光波導與Ag NP點陣引發的表面晶格共振共同形成瞭具有雜化波導表面晶格共振( W-SLR )模式的結構。這種W-SLR模式結構使得激光在非零波轉換器內以平面模式發射,可以通過控制CQD薄膜的厚度來實現任意徑向和方位偏振光的發射,實現瞭一種能夠從納米激光源產生所需偏振模式的微型化材料系統,為量子通信和信息應用中所需的量子體/等離子體混合系統設計提供瞭前景。

震撼!僅2個月,發表1篇Science,10餘篇子刊/AM/JACS—加拿大兩院院士Sargent教授成果集錦

參考文獻:

Guan J, Sagar L K, Li R, et al. Quantum Dot-Plasmon Lasing withControlled Polarization Patterns[J]. ACS nano, 2020.

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09466

三、鈣鈦礦光電器件

1.Nature Energy:刷新記錄!倒置型鈣鈦礦太陽能電池光轉換效率提升至22.3%

相對於常規型的金屬/鹵素鈣鈦礦,空穴和電子傳輸層反轉的倒置型金屬/鹵素鈣鈦礦器件在使用時有著更穩定的狀態和長的壽命因而在太陽能電池鄰域得到瞭廣泛的研究。然而電荷載流子的非輻射復合導致的光電壓損失造成倒置型鈣鈦礦太陽能電池很低的功率轉換效率( PCE ),根據目前認證的結果,倒置型鈣鈦礦太陽能電池的PCE隻能達到20.9 %,遠低於常規型最高的25.2 %。如何進一步提高倒置型鈣鈦礦的PCE值是更優質太陽能電池得到實際應用所要亟需解決的一個問題。

目前的研究表明由鈣鈦礦內部晶體缺陷引起的電子陷阱態是電荷載流子非輻射復合,即低PCE值的來源,針對這一問題,近日多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊聯合沙特國王科技大學Osman M. Bakr教授團隊共同研究采用采用烷基胺( AALs )小分子在鈣鈦礦制備過成中對形成的晶粒表面和邊界進行原位自組裝修飾的方法,通過促進鈣鈦礦晶粒生長時的高度取向排列和減少缺陷的產生來大幅度提高倒置型鈣鈦礦太陽能電池的PCE值,達到瞭22.3%(實驗室設備測試結果達到23%),並且在模擬的AM1.5照明條件下以最大功率運行超過1000小時後其效率幾乎沒有下降。

在Cs0.05( FA0.92MA0.08 )0.95Pb( I0.92Br0.08 )3倒置型鈣鈦礦制備過程中,AALs上的氨基錨定在鈣鈦礦晶粒上,尾部的疏水的烷基鏈填充在晶粒界面處並在范德華力作用下穩定存在,AALs的存在限制瞭鈣鈦礦晶粒顆粒在生長過程中的傾斜,最終形成瞭一個(100)主導取向的薄膜,其缺陷密度低於隨機取向的薄膜。隨著生長的進行,具有疏水長鏈的AALs最終被排出到鈣鈦礦薄膜表面,增加瞭薄膜的疏水性。研究結果表明具有各向異性電子特性的鈣鈦礦切面會使得薄膜晶體整體取向進而減少缺陷,這為後續優異而穩定的倒置型鈣鈦礦太陽能電池的設計和制備提供瞭重要的理論基礎。

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參考文獻:

Zheng, Xiaopeng, etal. “Managing grains and interfaces via ligand anchoring enables22.3%-efficiency inverted perovskite solar cells.” Nature Energy (2020):1-10.

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0538-4

2.Nature Materials:深度解析鈣鈦礦組分-結構-性能之間的關系

目前通過優化鈣鈦礦活化層的元素種類和含量,可以使性能最優異的鈣鈦礦太陽能電池能源轉換效率達到25.2 %。鈣鈦礦活化層組成一般結構式為ABX3,其中A部分是金屬銫( Cs ),甲基胺( MA )以及甲脒( FA )的組合,X部分是鹵素Br和I的組合。原理上講Cs和FA是形成穩定鈣鈦礦結構的必要組分,而MA部分則可有可無。但是實驗的結果表明隻有當組分中至少含有5 %以上的MA時,鈣鈦礦才具有優異的能源轉換效率。如何正確理解和掌握鈣鈦礦材料中不同組分對晶體結構,進而對材料性能的影響關系,對於制備新型和性能更加優異的鈣鈦礦材料而言具有重要的指導作用。

基於此,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊與美國麻省理工學院William A. Tisdale教授團隊利用瞬態光致發光顯微鏡( TPLM )並結合理論模型的建立,深度探究瞭瞭鈣鈦礦材料組分-結構-性能之間的關系,研究發現單晶鈣鈦礦材料內部載流子的擴散率與結構組成無關;多晶鈣鈦礦薄膜內化學成分的組成會對材料內部載流子擴散行為產生顯著影響:不含MA的CsFA型鈣鈦礦載流子擴散率比CsMAFA型鈣鈦礦載流子擴散率(0.034 cm2s−1)低一個數量級。研究者對不同組分鈣鈦礦之間的載流子擴散動力學做瞭細致的研究,發現相對於CsFA型鈣鈦礦,含多種陽離子的CsMAFA型鈣鈦礦中不僅具有更長的載流子擴散長度,也有很長的載流子壽命,這主要來源於內部晶粒間低勢能壘,而根據EDX和XPS檢測分析,CsFA型鈣鈦礦更高的勢能壘來源於其非均勻結晶,導致晶粒內外的元素含量不一致,形成瞭不利於載流子擴散的“殼核結構”。

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參考文獻:

Saidaminov M I, WilliamsK, Wei M, et al. Multi-cation perovskites prevent carrier reflection from grainsurfaces[J]. Nature Materials, 2020: 1-7.

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0602-2

3.Nature Photonics:量子點提升鈣鈦礦LED發光效率

有機/無機雜化鈣鈦礦( QDiP )是一種結合瞭優異電荷傳輸特性的鈣鈦礦和帶隙可調的量子點的新復合材料,所產生的高亮度、高效率的紅外光源在夜視、光通信、生物和醫藥領域有著重要的應用。然而在常規QDiP體系中,金屬鹵化物鈣鈦礦中快速且不平衡的載流子導致瞭對高效發光不利的不均衡電荷積聚、高註入電流和高俄歇復合等問題。此外,為瞭高亮度發光而大量添加的量子點( QD )在LED器件運行時會發生相分離,導致瞭較差的鈍化效果和無效的能量傳遞途徑產生,這也對高效發光不利。

鑒於此,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊與華中科技大學Jiang Tang教授團隊聯合開發瞭一種在溶液中添加穩定劑使PbS QD得到穩定分散並且快速引發鈣鈦礦成核結晶的方法,制備瞭PbS QD均勻分散在低維層狀鈣鈦礦中的復合薄膜( QDLP ),顯示出優異的發光性能。在該研究中作者們選用苯乙胺( PEA )作為穩定劑,可以使PbS QD在均勻取向的多層鈣鈦礦基體中獲得高度有序的鈍化量子點陣列,並且能保持與純溶液相中相當的光致發光量子產率(45 %)。復合薄膜制備的LED器件工作時定向的將超快能量轉移到PbS QD上,避免瞭鈣鈦礦內部不均衡的自由載流子積累導致的非輻射復合。短紅外波長區發光測試結果表明,QDLP型LED的外部量子效率( EQE )達到瞭8.1 %( 980nm )亮度達到瞭7.4 WSr−1m−2,其值是目前常規QDiP體系最高值的40倍。

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參考文獻:

GaoL, Quan L N, de Arquer F P G, et al. Efficient near-infrared light-emittingdiodes based on quantum dots in layered perovskite[J]. Nature Photonics, 2020:1-7.

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0577-1

4.Advanced Materials:通過鈍化缺陷來同時提高Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池工作穩定性和效率

Pb-Sn鈣鈦礦較低的功率轉換效率( PCE )限制瞭高效而穩定的全Sn-Pb鈣鈦礦串聯太陽能電池( Sn-Pb PSCs )進一步的發展。研究表明向體系中引入層狀的鈣鈦礦進而結合形成2D/3D復合結構可以同時提高電池的工作效率和穩定性,但是實驗結果證明這種結構對於純Pb鈣鈦礦有明顯的效果,而對於Pb-Sn鈣鈦礦,這種結構雖然一定程度提高瞭電池的穩定性,但是層狀鈣鈦礦阻止瞭平面外的載流子的運輸,從而導致瞭低的填充因子(FF < 70%),這導致效率並沒有明顯的提升。

為瞭制備高效且穩定的Sn-Pb PSCs,近日,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊聯合南京大學Hairen Tan教授團隊在制備Sn-Pb PSCs過程中,將苯乙胺( PEA )陽離子直接引入到抗溶劑中,利用鈣鈦礦薄膜表面和薄膜內晶界邊緣的缺陷原位鈍化來減少陷阱態電荷載流子,同時避免瞭層狀鈣鈦礦相的過度形成,提升瞭電荷載流子的傳輸效率。這種原位鈍化法與傳統的異丙醇(IPA)後處理方法相比,制備的薄膜表面缺陷和瑕疵更少,形成的鈍化層對陷阱態電荷載流子具有抑制和減少作用,器件運行效率得到大幅度提高。測試結果表明,該方法制備的Sn-Pb PSCs達到瞭79%的填充因子和19.4 %的功率轉換效率,並且其運行壽命比未經過鈍化處理的Sn-Pb PSCs提高瞭200倍,效率在AM1.5G的測試條件下連續工作200 h無下降,有望用於高性能的全鈣鈦礦串聯太陽能電池。

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參考文獻:

WeiM, Xiao K, Walters G, et al. Combining Efficiency and Stability in MixedTin–Lead Perovskite Solar Cells by Capping Grains with an Ultrathin 2DLayer[J]. Advanced Materials, 2020: 1907058.

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907058

5.Joule:優化溶劑溶質制備高效鈣鈦礦太陽能聚光器

太陽能聚光器( LSC )可以將太陽光從一個較大的區域集中到一個較小的區域,從而減少光伏( PV )材料的消耗,大大提高瞭光能轉化效率。LSC是一種半透明的光學板,其中生色團嵌在透明的波導管中,它首先吸收來自太陽光入射的光子,然後重新發射出波長更長的光子。重新發射的光子被引導到LSC的邊緣,再由此處的太陽能電池將聚集的光轉換成電能。低維鈣鈦礦納米片( PNPLs )由於多重量子阱(MQWs )提供的能量漏鬥可以產生大的Stokes位移和高效的光致發光(PL),成為應用於LSC中最有潛力的生色材料之一。由於較窄范圍內波長吸收的能力,目前使用的Br基PNPLs隻能達到1.5%的光轉換效率( ηopt ),開發和制備新結構的PNPLs對於提高LSC的太陽能光轉換效率具有重要意義。

加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊和沙特國王科技大學Osman M. Bakr教授團隊近日聯合開發瞭一種I基PNPLs,與PMMA復合後制備得到的10×10 cm大小的LSC薄膜器件其熒光量子產率( PLQY )達到瞭56 %, 光轉換效率達到瞭2 %,是之前報道最高值的1.3倍。與Br基PNPLs相比,雖然I基PNPLs具有更寬的波長吸收范圍,但是隻有當前驅體PbIx2-x能提供恰當的MQWs時才能實現寬頻太陽光波的吸收。為此,研究者們通過調控溶劑與反溶劑的組成和比例來實現這一點。研究發現:以高極性( 古特曼貢獻值= 26.6 kcal/mol )的DMF與低極性的CB( 古特曼貢獻值= 3.3 kcal/mol)混合溶劑作為制備I基PNPLs的前驅體溶劑時,體系中PbI2比例減小而具有活性的配位碘離子PbI3比例會增加當兩種溶劑的比例為1:1時,最終獲得的PNPLs具有最佳的晶體構型和更廣的MQW分佈,因而具有更廣的波長吸收范圍、更有效的能量漏鬥以及更高的的光發射能力。而不含CB的溶液中由於生成的PbI2占主導,得到的PNPLs結構不穩定,光發射和轉換效率也很低。

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參考文獻:

Li Z,Johnston A, Wei M, et al. Solvent-Solute Coordination Engineering for EfficientPerovskite Luminescent Solar Concentrators[J]. Joule, 2020.

原文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300301

6.Advanced Science:孿晶缺陷對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

雖然目前基於鈣鈦礦薄膜的太陽能電池最大功率轉換效率(PCE)接近於單晶矽為基體的太陽能電池,但是鈣鈦礦生長過程中在晶粒表面和晶粒之間形成的缺陷限制瞭其性能的進一步的提升,其中孿晶缺陷就是一種典型的缺陷。密度泛函理論計算表明混合離子鈣鈦礦中可能形成( 111 )孿晶缺陷,它會引起富Cs和富I相的二次成核,導致價帶邊緣附近的空穴轉變為缺陷,形成陷阱態。然而目前孿晶缺陷的具體產生路徑以及與太陽能電池PCE值之間的關系尚不清晰。

為瞭探究清楚這一問題,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊和國立清華大學Lih Juann Chen教授團隊合作通過TEM直接觀測以及結合XRD進行晶體結構分析發現,孿晶缺陷與鈣鈦礦中添加的反溶劑量有關,孿晶缺陷會降低鈣鈦礦光電材料性能,而通過異質過飽和成核法則可以抑制孿晶缺陷的產生。作者研究對比瞭制備過程中分別含200 – 500 μL CB 反溶劑的鈣鈦礦,發現低含量的反溶劑制備的鈣鈦礦在TEM中顯示出更少的孿晶缺陷和在熒光測試中顯示出更長的載流子壽命(200 μL 反溶劑對應930 ns,500 μL 反溶劑對應330 ns ),因而有更高的PCE和穩定功率輸出( SPO )值。而XRD分析表明( 111 )孿晶界傾向於在( 100 )平面上形成應力而導致孿晶缺陷,進而導致晶面間距較小,衍射峰向高角度移動。該研究工作探究瞭孿晶缺陷和鈣鈦礦太陽能電池性能之間的聯系,並指出進一步減少鈣鈦礦顆粒中的缺陷可能有助於進一步提升多晶鈣鈦礦太陽能電池性能。

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參考文獻:

Tan CS, Hou Y, Saidaminov M I, et al. Heterogeneous Supersaturation in MixedPerovskites[J]. Advanced Science, 2020: 1903166.

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201903166

 四、其他方向:

1.JPCL:從光學斯塔克效應和多體微擾理論得到的躍遷偶極矩n = 1,2,3的鈣鈦礦量子阱

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參考文獻:

Proppe A H, Walters G W, Alsalloum A Y Y, et al. Transition Dipole Momentsof n= 1, 2, and 3 Perovskite Quantum Wells from the Optical Stark Effect andMany-Body Perturbation Theory[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters,2020.

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.9b03349

2.《Nature Nanotechn.》 半導體納米棒的區域選擇性磁化(這篇文章第一通訊作者是中科大俞書宏教授)

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參考文獻:

Zhuang T T, Li Y, Gao X, et al. Regioselective magnetization insemiconducting nanorods[J]. Nature Nanotechnology, 2020: 1-6.

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8

Edward H. Sargen院士簡介

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Edward H. Sargent教授,多倫多大學副校長,加拿大皇傢科學院院士,加拿大工程院院士,加拿大科技部納米技術分部主席,InVisage Technologies 創始人,Xagenic共同創始人,AAAS會士,IEEE會士,ACS Photonics副主編。Edward H. Sargen教授是材料學和光子學鄰域世界著名科學傢,因其在可溶相處理的半導體太陽能電池和光探測器研究中所作出的傑出貢獻,當選Fellow of the AAAS;因其在膠體量子點光電子器件研究中所作出的貢獻,當選Fellow of the IEEE;因其在利用量子限域材料制備全光譜太陽能電池和超靈敏光探測器研究中所作出的貢獻,當選加拿大工程院院士。Edward H. Sargen教授在Nature和Science等國際頂級期刊發表論文多篇,目前已獲引用超過61894次(Google數據),其中有100篇論文的引用次數超過100次。

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