南开大学化学学院物理化学袁明鉴

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袁明鉴 研究员，1982年出生，南开大学教授,2004年毕业于山东师范大学化学系，获得学士学位。2004-2009年在中科院化学所李玉良院士指导下攻读博士学位。2009年至2012, 2012年至2016年分别在在美国华盛顿大学材料科学与工程学院，加拿大多伦多大学电气工程学院从事博士后研究。 2016年9月入职南开大学化学学院，担任博士生导师、研究员。近五年来围绕半导体薄膜材料稳定性和载流子输运的难题，开发了准二维钙钛矿材料并发展了量子点合成和界面钝化新方法，从而显著抑制了体系内的非辐射跃迁速率，改善了量子发光效率，取得了近红外薄膜材料电致发光效率世界纪录，并实现了认证1电子伏特量子点太阳能电池最高效率记录，取得了一批创新成果并引领了量子点太阳能电池的发展。至今已在Nature Nanotechnol, Nature Energy, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等国际著名学术期刊上以第一作者身份发表论文15篇，并在Science (3篇), Nature Communication (3篇)等杂志上合作发表论文30篇。论文总引用达4000余次。入选中组部青千##计划，天津市青年##计划，南开大学百名青年学科带头人。

姓　　名        袁明鉴        
性　　别        男
出生年月        1982-01        
籍　　贯        山东
学　　历        博士        
毕业院校        中科院化学所
职　　称        研究员        
系所单位        化学系
特殊人才称号        天津市青年##计划
通讯地址        天津市卫津路94号南开大学化学楼中楼306
电 话        
电子邮件        yuanmj@nankai.edu.cn
研究领域        有机-无机杂化半导体光电转换材料及器件
教育及科研经历        
2009年毕业于中科院化学所有机固体实验室(李玉良院士）
2009-2016年先后在美国华盛顿大学、加拿大多伦多大学做博士后研究
2016年入职南开大学化学院


荣誉和奖励        
科研成果与代表作        
1)M. Yuan, L. Quan, R. Comin, G. Walters, R. Sabatini, O. Voznyy. S. Hoogland, Y. Zhao, P. Kanjanaboos, Z. Lu, D. Kim, E. H. Sargent, Perovskite Energy Funnels for Efficient Light-Emitting Diodes. Nature. Nanotechnology, 2016, 11, 872.
2)M. Yuan, M. Liu, E. H. Sargent, Colloidal Quantum Dots Solids Engineering for Solution-processed Photovoltaics. Nature. Energy, 2016, 1, 16016.
3)L. Quan, M. Yuan, R. Comin, O. Voznyy, A. Buin, A. Kirmani, K. Zhao, A. Amassion, D. Kim, E. H. Sargent, Ligand-Stabilized Reduced-Dimensionality Perovskites, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2649. (Co-first Author)
4)M. Yuan, O. Voznyy, D. Zhitomirsky, P. Kanjanaboos, E. H. Sargent, Synergistic Doping of Fullerene Electron Transport Layer and Colloidal Quantum Dot Solids Enhances Solar Cell Performance, Adv. Mater. 2015, 27, 917.
5)M. Yuan, K. Kemp, S. Thon, J. Kim, K-W. Chou, A. Amassion, E. H. Sargent, High-Performance Quantum Dot Solids via Elemental Sulfur Synthesis. Adv. Mater. 2014, 26, 3513.
6)M. Yuan, D. Zhitomirsky, V. Adinolfi, O. Voznyy, K. Kemp, Z. Ning, X. Lan, J. Xu, J.Kim, H. Dong, E. H. Sargent, Doping Control via Molecularly-Engineered Surface Ligand Coordination, Adv. Mater. 2013, 25, 5586.
7)Z. Jin, M. Yuan, H. Li, H. Yang, Q. Zhou, H. Liu, X. Lan, M. Liu, J. Wang, E. H. Sargent, Y. Li, Graphdiyne: An Efficient Hole Transporter for Stable High-Performance Colloidal Quantum Dot Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 5284. (Co-first Author)
8)D. Shi, V. Adinolfi, R. Comin, M. Yuan, E. Alarousu, A. Buin, Y. Chen, S. Hoogland, A. Rothenberger, K. Katsiev, Y. Losovyj, X. Zhang, P. Dowben, O. Mohammed, E. Sargent, O. Bakr, Low trap-state density and long carrier diffusion in organo lead trihalide perovskite single crystals, Science. 2015, 347, 519.
9)B. Zhang, X. Zheng, O. Voznyy, R. Comin, M. Bajdich, M. García-Melchor, J. Xu, M. Liu, F. Pelayo García de Arquer, F. Fan, M. Yuan, E. Yassitepe, A. Janmohamed, N. Chen, T. Regier, L. Han, P. Liu, Y. Li, H. L, L. Zheng, H. Yang, A. Vojvodic, E. H. Sargent, Homogeneously dispersed, multimetal oxygen-evolving catalysts, Science. 2016, 352, 333.
10)H. Tan, A. Jain, O. Voznyy, X. Lan, F. Pelayo García de Arquer, J. Z. Fan, R. Quintero-Bermudez, M. Yuan, B. Zhang, Y. Zhao, F. Fan, P. Li, L. N. Quan, Y. Zhao, Z. Lu, Z. Yang, S. Hoogland, E. H. Sargent, Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation. Science. 2017, DOI: 10.1126/science.aai9081.
11)J. Xu, A. Buin, A. H. Ip, W. Li, O. Voznyy, R. Comin, M. Yuan, S. Jeon, Z. Ning, J. J. McDowell, P. Kanjanaboos, J. Sun, X. Lan, L. Quan, D. Kim, I. G. Hill, P. Maksymovych, E. H. Sargent, Perovskite–fullerene hybrid materials suppress hysteresis inplanar diodes, Nature Communication. 2015, 8081.
12)J. Kim, V. Adinolfi, T. Kim, J. Kim, I S. Hoogland, M. Yuan, B. Sutherland, K. Kemp,E. H. Sargent, Single-Step Fabrication of Quantum Funnels via Centrifugal Colloidal Casting of Nanoparticle Films, Nature Communication. 2015, 7772.
13) M. I. Saidaminov, V. Adinolfi, R. Comin, A. L. Abdelhady, W. Peng, I. Dursun, M. Yuan, S. Hoogland, E. H. Sargent, O. M. Bakr. Planar-integrated single-crystalline perovskite photodetectors, Nature Communication. 2015, 9724.

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南开大学袁明鉴研究员课题组在钙钛矿蓝色发光薄膜制备中，通过“A位点”阳离子工程方法制备得到准二维铷-铯合金钙钛矿材料[RbxCs1-xPbBr3 (0 ≤ x ≤ 1) ]，首次合成出具有良好光谱稳定性的、荧光量子产率高达82%(1.5 mW cm-2)，且没有光谱移动或拓宽的钙钛矿蓝光发光薄膜，获得了最高外转换效率达1.35%且半衰期(T50)为14.5分钟的钙钛矿蓝色发光二极管。

Jiang, Y. Qin, C. Yuan, M. et al. Spectrastable blue perovskite light-emitting diodes. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09794-7

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09794-7

huanggua

准二维钙钛矿太阳能电池的效率落后于三维钙钛矿器件，高的开路电压（Voc）损失是制约性能提升的瓶颈。准二维钙钛矿薄膜在自组装的过程中，会形成不同厚度的量子阱（<n>值）结构。多<n>值相组成的薄膜拥有不均一的能级结构，存在快速的能量转移，使得器件的Voc受限于薄膜的最小带隙组分。同时，不均一的能级会拓宽薄膜中的电子态分布，增加能态无序（energy disorder）的程度，降低器件的Voc。因此，实现低<n>值准二维钙钛矿的均一能级分布，是制备高效且稳定的光伏器件的重要途径。同时，通过溶液法制备<n>值集中的钙钛矿薄膜，也是该领域面临的挑战！

       近期，我院先进能源材料化学教育部重点实验室袁明鉴课题组发表题为“Reduced-dimensional perovskite photovoltaics with homogeneous energy landscape”的研究论文，展示一种调控准二维钙钛矿薄膜能级分布的方法，揭示了准二维钙钛矿太阳能电池Voc损失的机制。
       首先，选择窄带隙的准二维钙钛矿材料，“拉平”组分间的能级差异，是薄膜实现能级均一分布的基础。作者通过晶体学数据分析和第一性原理计算，确定含有双胺阳离子的间氨甲基哌啶（MAMP）基钙钛矿拥有最小的带隙。单晶表征也证实，MAMP钙钛矿相邻<n>值间有更小的能级差。然而，得到<n>值集中的相分布是更关键的一步。先前的研究表明，前驱溶液成分与钙钛矿薄膜的<n>值分布息息相关。通常，钙钛矿前驱溶液会自发形成胶束，导致薄膜中不同<n>值的随机分布。为抑制胶体形成，作者引入一种酸性添加剂，2-氨基苯酚-4-磺酸（APSA）。瞬态吸收光谱测试表明，APSA处理的MAMP薄膜获得最窄的能量分布（0.26 eV）。最终制备了具有高Voc（1.21 V）的太阳能电池，实现最小的Voc损失。薄膜和器件两个层面都证明，能级均一的准二维钙钛，可以降低energy disorder程度，抑制载流子复合。
       这项工作中，作者结合材料设计与结晶动力学调控，成功制备具有均一能级的低<n>值准二维钙钛矿薄膜，揭示准二维钙钛矿器件中Voc损失的物理机制，为进一步制备高效的准二维钙钛矿太阳能电池提供了新思路。
该研究成果近期发表在Nature Communications上，袁明鉴课题组博士生何庭伟和硕士生李赛赛为该论文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、天津市科技局和南开大学的资助。
       文章链接 https://doi.org/10.1038/s41467-020-15451-1

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近年来，金属卤化钙钛矿材料在光伏器件领域发展迅速，取得了许多突破性的进展，但器件的效率和稳定性仍有进一步改善的空间。南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室袁明鉴课题组总结了不同结构钙钛矿材料的特性，及其在光伏器件中的应用，提供了改善钙钛矿光伏器件性能和稳定性的新观点。


作者基于钙钛矿材料的结构特点，从三维(3D)、低维(Quasi-2D)和2D/3D钙钛矿三个方面，分别阐述了钙钛矿光伏器件的发展历程。

首先，作者以调节钙钛矿(ABX3)材料的吸光范围为线索，重点介绍了通过A位点阳离子工程，调控3D钙钛矿材料光学带隙而取得的一系列进展。根据肖克利-奎伊瑟(S-Q)极限曲线，具有更小带隙的钙钛矿材料，有机会实现更高效率的钙钛矿光伏器件。钙钛矿材料经历了单阳离子甲胺(MA)→混合阳离子(MA/铯(Cs)/甲脒(FA)) →富FA体系的转变。最终，α-FAPbI3因其拥有最小的带隙，被认为是最理想的钙钛矿材料。然而，在薄膜制备的过程中，难以避免的β-FAPbI3相的形成，制约着高效钙钛矿光伏器件的发展。而且，3D钙钛矿的环境稳定性也是制约其应用的重要因素，尽管研究者为此做出了许多创新性的工作，也取得了较大进展，但仍然难以满足其商业化的需要。


于是，以稳定性著称的Quasi-2D钙钛矿光伏器件应运而生。随后，作者探讨了Quasi-2D钙钛矿结构与光伏器件稳定性的关系，包括湿度稳定性，相稳定性和结构稳定性。而且，作者基于Quasi-2D结构独特的量子阱(<n>值)结构特点，以促进载流子传输为主线，详细总结了几种改善器件光伏性能的有效方法，包括调控垂直的钙钛矿晶体取向、形成梯度的空间相分布、获得<n>值集中的量子阱分布，以及降低钙钛矿的激子结合能。然而，与3D钙钛矿的性能相比，Quasi-2D仍有较大的发展空间。如何利用低维钙钛矿卓越的稳定性特点，进一步提高器件的光伏性能，则成为了研究者关注的一项新课题。


基于3D钙钛矿器件的高效率特点和2D钙钛矿的稳定性优势，两者的有机结合被认为是钙钛矿光伏器件发展的新思路。作者从2D与3D钙钛矿晶体在薄膜中的空间位置及其相互影响入手，揭示了2D钙钛矿对促进3D钙钛矿晶体生长、改善载流子传输，以及增强稳定性方面的影响。尤其是，2D钙钛矿与α-FAPbI3钙钛矿的结合，为实现高效且稳定的光伏器件注入了新的动力。


最后，作者针对3D、Quasi-2D和2D/3D钙钛矿光伏器件的各自的发展现状，从钙钛矿材料设计、薄膜制备工艺、器件运行机理分析等方面，提出了一些新的思路和见解。文章通过对钙钛矿领域的系统总结和建设性展望，为钙钛矿光伏器件的进一步研究工作提供了参考与借鉴。


相关综述发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201903937)上，题为“Structured Perovskite Light Absorbers for Efficient and Stable Photovoltaics”。

huijing

随着技术的不断发展，发光二极管（light-emitting diode, LED）已被广泛地应用于照明显示领域。基于对光物理过程的不断理解，人们也在不断探索与发现制备发光二极管的优异半导体光电材料。
        目前，准二维钙钛矿由于其优异的半导体性能引起了人们的广泛关注，已成为新一代发光二极管(LED)应用最有希望的材料之一。特别是由于其固有的量子阱结构，使准二维钙钛矿具有较大的激子结合能。同时，不同厚度量子阱组分间的快速能量转移导致了材料的高光致发光量子产率，为其在高效发光二极管中的应用提供了基础。

       近日，南开大学化学学院，新能源材料化学教育部重点实验室，袁明鉴研究员课题组从材料微结构和器件工程的角度总结了近年来有关准二维钙钛矿发光二极管领域的研究成果，以“High-performance quasi-2D perovskite light-emitting diodes: from materials to devices”为题发表在Light: Science and Applications。
        该文分别讨论了准二维钙钛矿材料的本征特性、薄膜中的能量转移和光谱调控方法，以及它们在高性能LED中的应用。并在此基础上，提出了发展高效、稳定的准二维发光二极管所面临的方向与挑战。