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[材料资讯] 南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁

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发表于 2019-3-1 08:57:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
谭海仁南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。2008年毕业于中南大学无机材料系,先后从中科院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学获得硕士和博士学位,2015年博士毕业后荣获荷兰Rubicon Fellowship到加拿大多伦多大学从事博士后研究工作(导师Edward Sargent教授)。谭海仁博士的主要研究方向为新型薄膜光伏材料及高效率薄膜太阳能电池的设计与制备,曾实现了平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池以及非晶硅/有机聚合物杂化多结太阳能电池转换效率的世界记录,并获得世界光伏大会“青年研究员奖”。在Science, Nature Communications, Nature Energy, Advanced Materials, Nano Letters, JACS等刊物发表论文50余篇,引用2800余次。

谭海仁

谭海仁
谭海仁        
教授        
办公室:        蒙民伟楼1303
Email: hairentan@nju.edu.cn  
课题组网站:https://hairentan.wixsite.com/nju-solarlab-ch

研究方向:
半导体光电材料与器件、钙钛矿太阳能电池及其高效多结光伏器件、硅基太阳能电池、太阳能转换与存储。

教育与工作经历     
2018.03-至今 南京大学 现代工程与应用科学学院  教授   
2015-2018 加拿大多伦多大学  电子与计算机工程系  博士后     
2011-2015 荷兰代尔夫特理工大学  电子工程  博士   
2008-2011 中国科学院半导体研究所  材料物理与化学  硕士   
2004-2008 中南大学  无机非金属材料工程  本科   

科研奖励     
2018年中组部第十四批青年项目   
2017年美国MRS秋季会议最佳海报奖   
2016年荷兰科学研究组织(NWO)Rubicon Fellowship   
2015年代尔夫特理工大学优秀博士论文(Cum Laude)   
2014年世界光伏会议“青年研究员奖”   
2013年国家优秀自费留学生奖学金   

前期工作简介     

谭海仁博士的主要研究方向为新型薄膜光伏材料的光电性质研究及高效率薄膜太阳能电池的设计与制备。在钙钛矿太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池领域开展了较为系统深入的研究,实现了平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池以及非晶硅/有机聚合物杂化多结太阳能电池转换效率的世界记录。在Science, Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nature Energy, Advanced Materials, Nano Letters, JACS, Progress in Photovoltaics 等刊物发表论文40余篇,引用1900余次。目前主要研究方向为半导体光电材料与器件、钙钛矿太阳能电池及其高效多结光伏器件的材料开发与器件设计。   


在钙钛矿太阳能电池研究中所取得的成果      

此前,高效率的钙钛矿电池一直依赖高温(~500oC)制备的介孔电子传输层,但高温工艺制备较复杂且无法用于需要低温制备条件的柔性器件和叠层器件。可全低温溶液法制备的平面型钙钛矿太阳能电池具有制备工艺简单、能耗小、成本低、用途广等优点,备受研究者关注。然而与高温介孔器件相比,受限于电荷传输层与钙钛矿界面缺陷态密度高、界面结合力较弱,导致低温平面钙钛矿电池效率较低、工作稳定性较差。鉴于此研究背景,谭海仁博士提出了界面氯原子接触钝化原理和技术。通过选择反应源与反应溶剂,在低温条件下制备表面包覆氯原子配体的TiO2纳米晶,并利用极性合适的共混溶剂体系,促使纳米晶在加工溶剂中高度分散并保留表面氯原子配体。理论计算结果表明,界面氯原子能有效地抑制TiO2/钙钛矿界面的深能级缺陷生成,并显著提高电荷传输层与钙钛矿层界面结合力。基于界面氯原子接触钝化技术,我们成功制备了高效稳定的基于全低温工艺的平面型钙钛矿太阳能电池(Science 2017, 355, 722-726)。经权威第三方认证机构(Newport Corporation)认证的转换效率(小面积器件20.1%、大面积器件19.5%)为此前报道的平面型钙钛矿电池的世界最高值。该技术具有工艺简单、可全低温溶液法制备、器件在工作条件下稳定性好等优势,为实现印刷制备柔性器件及构筑高效叠层电池提供了技术支持。   


在多结硅基薄膜太阳能电池及相关杂化多结太阳能电池研究中所取得的成果      

设计和制备高性能的陷光结构同时不会影响电池的电学性能(开路电压和填充因子),是国际上薄膜硅太阳能电池领域亟待解决的关键技术难点。谭海仁博士首次提出将微米尺度的宽口径绒面透明电极应用于微晶硅太阳能电池(Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 173905),解决了微晶硅电池中开路电压和填充因子随厚度增加迅速下降的科学难题;通过开发制备高透光性的新型p型纳米晶硅氧窗口材料,获得了同时具有高开路电压和优异短波长光电响应的宽带隙非晶硅太阳能电池(Solar Energy Mater. Solar Cells 2015, 132, 597-605);此系列工作为实现高效率的多结太阳能电池提供了研究基础。基于此,进一步设计和构筑了微米-纳米多尺度绒面结构的新型陷光前电极,实现了世界最高转换效率14.8%的非晶硅/微晶硅双结叠层太阳能电池(Prog. Photovolt.: Res. Appl. 2015, 23, 949-963)。鉴于此项突破,在2014年底召开的第6届国际光伏会议上申报人被邀作专题报告,并荣获青年研究员奖(Young Researcher Award)。在多结硅基薄膜电池中,微晶硅吸光层厚度是非晶硅层的10倍左右,厚的微晶硅层在某种程度上增加了制备时间和能耗成本。利用吸光极强的红外光敏有机太阳能电池替代较厚的微晶硅结,将薄膜硅和有机光伏材料两者结合,构筑了具有宽光谱吸收的超薄杂化多结太阳能电池。通过非晶硅材料的能隙调节和引入陷光结构,实现子电池间的光电流匹配,获得了13.2%转换效率的非晶硅/有机聚合物杂化多结电池(Adv. Mater. 2016, 28, 2170-2177),属于同类型杂化多结器件报道的最高值。该工作为开发下一代低成本、高效率的多结太阳能电池提供了新的思路和方向。   

近期代表性文章   (* Corresponding author, ǂ equal contribution)     
H. Tan  , A. Jain, O. Voznyy, X. Lan, P. de Auquer, J. Fan, R. Quintero-Bermudez, M. Yuan, B. Zhang, Y. Zhao, F. Fan, P. Li, L. N. Quan, Y. Zhao, Z.-H. Lu, Z. Yang, S. Hoogland, and E. H. Sargent*. Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation. Science    355, 722-726 (2017) .   
H. Tan  ǂ ,   F. Cheǂ, M. Weiǂ, Y. Zhao, M. I. Saidaminov, P. Todorovic, D. Broberg, G. Walters, F. Tan, T. Zhuang, B. Sun, Z. Liang, H. Yuan, E. Fron, J. Kim, Z. Yang, O. Voznyy, M. Asta, and E. H. Sargent*. Dipolar cations confer defect tolerance in wide bandgap perovskites. Nature Communications.  (Minor revision)  
Y. Zhaoǂ, H. Tanǂ  , H. Yuanǂ, Z. Yang, J. Fan, J. Kim, O. Voznyy, X. Gong, L. N. Quan, C. S. Tan, J. Hofkens, D. Yu, Q. Zhao*, E. H. Sargent*. Perovskite seeding growth of formamidinium-lead-iodide-based perovskites for efficient and stable solar cells. Nature Communications 9, 1607    (2018).   
M. Saidaminov, J. Kim, A. Jain, R. Quintero-Bermudez, H. Tan , G. Long, F. Tan, A. Johnston, Y. Zhao, O. Voznyy, and E. Sargent*. Suppressing Atomic Vacancies via Incorporation of Isovalent Small Ions Increases the Stability of Halide Perovskite Solar Cells in Air Ambient. Nature Energy . (In press)   
J. Xu, O. Voznyy, M. Liu, A. Kirmani, G. Walters, R. Munir, M. Abdelsamie, A. Proppe, A. Sarkar, P. de Arquer, M. Wei, B. Sun, M. Liu, O. Ouellette, R. Quintero-Bermudez, J. Li, J. Fan, L. Quan, P. Todorovic, H. Tan  , S. Hoogland, S. Kelley, M. Stefik, A. Amassian, E. Sargent. 2D matrix engineering for homogeneous quantum dot coupling in photovoltaic solids. Nature Nanotechnology  (2018). doi:10.1038/s41565-018-0117-z   
L. Zhang, X. yang, Q. Jiang, P. Wang, Z. Yin, X. Zhang*, H. Tan , Y. Yang, M. Wei, B. Sutherland, E. Sargent, and J. You*. Ultra-bright and highly efficient inorganic based perovskite light-emitting diodes. Nature Communications  8, 15640 (2017). DOI:10.1038/ncomms15640.   
H. Tanǂ   , A. Furlanǂ, W. Li, K. Arapov, R. Santbergen, M. Wienk, M. Zeman, A. Smets, and R. A. J. Janssen*. Highly efficient hybrid polymer and amorphous silicon multijunction solar cells with effective optical management. Advanced Materials    28, 2170-2177 (2016) .   
H. Tan  *, R. Santbergen, A. Smets, and M. Zeman. Plasmonic light trapping in thin-film silicon solar cells with improved self-assembled silver nanoparticles. Nano Letters    12, 4070-4076 (2012).         
H. Tan*  , E. Moulin, F. Si, M. Stuckelberger, J. Schüttauf, O. Isabella, F. Haug, C. Ballif, M. Zeman, and A. Smets*. Highly transparent modulated surface textured front electrodes for high-efficiency multijunction thin-film silicon solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications    23, 949-963 (2015) .   
H. Tan*  , P. Babal, M. Zeman, and A. Smets*. Wide bandgap p-type nanocrystalline silicon oxide as window layer for high performance thin-film silicon multi-junction solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells      132, 597-605 (2015 ).   
A. Proppe, R. Quintero-Bermudez, H. Tan , O. Voznyy, S. Kelley, and E. H. Sargent*. Synthetic Control over Quantum Well Width Distribution and Carrier Migration in Low-Dimensional Perovskite Photovoltaics. Journal of the American Chemical Society  140, 2890–2896 (2018).   
J. Kim, M. Saidaminov, H. Tan , Y. Zhao, Y. Kim, J. Choi, J. Jo, J. Fan, R. Quintero-Bermudez, Z. Yang, L. Quan, M. Wei, O. Voznyy*, and E. H. Sargent*. Amide-catalyzed phase-selective crystallization reduces defect density in wide-bandgap perovskites. Advanced Materials  30, 1706275 (2018).     
Y. Zhaoǂ, W. Zhouǂ, H. Tan ǂ, R. Fu, Q. Li, F. Lin, D. Yu, G. Walters, E. H. Sargent*, and Q. Zhao*. Mobile-ion-induced degradation of organic hole-selective layers in perovskite solar cells. The Journal of Physical Chemistry C  121, 14517-14523 (2017).   
H. Sun, Z. Yang, M. Wei, W. Sun, X. Li, S Ye, Y. Zhao, H. Tan , E. Kynaston, T. Schon, H. Yan, Z. Lu, G. Ozin, E. H. Sargent*, and D. Seferos*. Chemically addressable perovskite nanocrystals for light-emitting applications. Advanced Materials . DOI: 10.1002/adma.201701153. (2017)   
B. Sun, O. Voznyy, H. Tan , P. Stadler, M. Liu, G. Walters, A. Proppe, M. Liu, J. Fan, T. Zhuang, J. Li, M. Wei, J. Xu, Y. Kim, S. Hoogland, and E. H. Sargent*. Pseudohalide-exchanged quantum dot solids achieve record quantum eficiency in infrared photovoltaics. Advanced Materials    29, 1700749 (2017)   
L. N. Quan, Y. Zhao, F. de Arquer, R. Sabatini, G. Walters, O. Voznyy, R. Comin, Y. Li, J. Fan, H. Tan , J. Pan, M. Yuan, O. Bakr, Z. Lu, D. H. Kim, and E. H. Sargent*. Tailoring the energy landscape in quasi-2D halide perovskites enables efficient green-light emission. Nano Letters    17, 3701-3709 (2017).     
Y. Kim, K. Bicanic, H. Tan , O. Ouellette, B. R. Sutherland, F P. G. de Arquer, J. W. Jo, M. Liu, B. Sun, M. Liu, S. Hoogland, and E. H. Sargent*. Nanoimprint-transfer-patterned solids enhance light absorption in colloidal quantum dot solar cells. Nano Letters    17, 2349–2353 (2017).   
N. Wang, M. Liu, H. Tan , J. Liang, Q. Zhang, C. Wei, Y. Zhao, E. H. Sargent, and X. Zhang*. Compound homojunction: heterojunction reduces bulk and interface recombination in ZnO photoanodes for water splitting. Small   , 1603527 (2017). DOI: 10.1002/smll.201603527      
X. Lan, O. Voznyy, F. P. de Arquer, M. Liu, J. Xu, A. Proppe, G. Walters, F. Fan, H. Tan , M. Liu, Z. Yang, S. Hoogland, and E. H. Sargent*. 10.6% certified colloidal quantum dot solar cells via solvent-polarity-engineered halide passivation. Nano Letters      16, 4630-4634 (2016).      
M. Fischer, H. Tan  * , J. Melskens, R. Vasudevan, M. Zeman, and A. Smets* . High pressure processing of hydrogenated amorphous silicon solar cells: Relation between nanostructure and high open-circuit voltage. Applied Physics Letters    106, 043905 (2015) .   
H. Tan*  , E. Psomadaki, O. Isabella, M. Fischer, P. Babal, R. Vasudevan, M. Zeman, and A. Smets*. Micro-textures for efficient light trapping and improved electrical performance in thin-film nanocrystalline silicon solar cells. Applied Physics Letters      103, 173905 (2013) .   
H. Tan*  , R. Santbergen, G. Yang, A. Smets, and M. Zeman. Combined optical and electrical design of plasmonic back reflector for high-efficiency thin-film silicon solar cells. IEEE Journal of Photovoltaics    3, 53-58 (2013) .   
H. Tan*  , B. Yan, L. Sivec, R. Santbergen, M. Zeman, and A. Smets*. Improved light trapping in microcrystalline silicon solar cells by plasmonic back reflector with broad angular scattering and low parasitic absorption. Applied Physics Letters    102, 153902 (2013) .   

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发表于 2023-1-2 17:04:12 | 显示全部楼层
近日,南京大学谭海仁教授团队报道了高效稳定的宽带隙半透明钙钛矿电池及四端钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。研究人员通过协同引入诱导结晶重构的分子硫氰酸甲胺(MASCN)与形成二维结构的分子碘化苯乙胺(PEAI),用一步后处理的方式同时实现了钙钛矿体相与顶底界面的缺陷钝化。这种新型的后处理的方法实现了对钙钛矿晶粒的重构,使其晶界垂直于衬底生长,减少了载流子跨越横向晶界时的传输阻力;同时在晶界和界面处形成的二维钙钛矿结构进一步降低了非辐射复合损失。该方法在体相和界面处的协同作用有效减少了宽带隙钙钛矿电池的开压损失,基于该后处理方法制备的宽带隙钙钛矿器件光电转化效率达到21.9%。宽带隙半透明器件的效率及基于该半透明器件制备的四端钙钛矿/晶硅叠层电池的效率分别达到19.9%与29.8%,均为世界领先水平。置于宽带隙钙钛矿晶界与界面处的二维钙钛矿结构有效抑制了有机阳离子与卤素离子的迁移,提升了宽带隙半透明器件的稳定性,其封装器件在500h模拟太阳光光照条件下无明显衰减,进一步展现了该工作对宽带隙钙钛矿效率和稳定性的重要指导意义。该成果以“Grain Regrowth and Bifacial Passivation for High-Efficiency Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”为题于2022年11月27日发表在Advanced Energy Materials【Advanced Energy Materials, 2203230】期刊。
        近年来,宽带隙钙钛矿电池器件已经成功实现了与多种窄带隙电池器件的集成,如Si、CIGS和Sn−Pb基钙钛矿,并实现了多种叠层太阳能电池的制备。作为顶电池,宽带隙钙钛矿子电池的效率瓶颈和稳定性的不足,严重限制了叠层电池的性能。其中效率低的主要表现是其开路电压相较于理论极限损失大,宽带隙钙钛矿体相与界面处较高的缺陷浓度引起的非辐射复合损失则是其开路电压损失的关键原因。稳定性的问题则主要是由于X位碘溴离子及A位阳离子的迁移导致的。因此减少钙钛矿薄膜体相与界面处的非辐射复合,削弱体相中离子迁移的能力是提升宽带隙钙钛矿效率和稳定性的关键。
        谭海仁教授团队针对上述难点,提出了结晶重构的薄膜处理方法,通过同时引入硫氰酸甲胺(MASCN)与碘化苯乙胺(PEAI)对薄膜进行后处理,使钙钛矿的晶粒显著增大,平均粒径由300 nm提升至800 nm,该过程减少了晶界产生,而晶界被认为是体相缺陷形成的主要原因。重构过程同时消除了横向晶界,这将减少载流子的传输阻碍。

钙钛矿薄膜

钙钛矿薄膜
图1 钙钛矿薄膜后处理方法示意图及表面晶粒展示。
         仅用PEAI处理钙钛矿表面的传统的钝化方式,无法在宽带隙钙钛矿表面形成晶体结构,PEA仅以分子形式吸附于钙钛矿表面,无法作用于钙钛矿体相。重构钝化使得钙钛矿薄膜中形成显著的二维钙钛矿层,且其分布可以深入薄膜体相与底面,二维钙钛矿由于其层间较长的空间间隔使得离子难以通过,这对抑制晶界处的离子迁移有显著效果。基于重构钝化处理的薄膜体相以及顶底界面的非辐射复合均有显著下降,钙钛矿底面的载流子寿命也显著提升,这说明该方法可以有效作用于薄膜底部,减少钙钛矿底面的缺陷。重构钝化过程显著提升了宽带隙钙钛矿器件的开路电压与填充因子,最优器件的效率达到21.9%,且其稳定输出效率也达到21.8%。
        此外,基于该处理的宽带隙钙钛矿半透明电池的光电转化效率达到19.9%,四端钙钛矿/晶硅叠层电池的效率达到29.8%,且在连续光照500h的情况下没有显著的衰减。
        该工作通过引入新型后处理的方法,诱导钙钛矿薄膜重新结晶的同时在体相与双界面引入二维钙钛矿结构,减少了宽带隙钙钛矿体相与界面处的非辐射复合,提升了器件的性能。该工作为多结光伏器件中制备高效稳定的宽带隙子电池提供了重要指导方向。未来需要进一步提升宽带隙钙钛矿的效率,并且研究其在光、热、电场等多重作用下的长时间稳定性机制,为钙钛矿叠层电池最终能实现商业化运用铺平道路。
         南京大学谭海仁教授为通讯作者,南京大学特任副研究员刘洲为文章的第一作者。该研究得到国家自然科学基金(U21A2076, 61974063)、江苏省自然科学基金(BK20202008, BK20190315)、中央高校基本科研业务费专项资金资助(0213/14380206; 0205/14380252)及关键地球物质循环前沿科学中心(DLTD2109)等项目支持。


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发表于 2023-3-19 23:16:15 | 显示全部楼层
南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师谭海仁团队以“实现高效率的全钙钛矿叠层太阳能电池和组件”荣获2022年度中国科学十大进展。钙钛矿叠层太阳能电池具有低成本溶液处理的优势,在薄膜太阳能电池的大规模应用中显示出重要前景。但全钙钛矿叠层电池光电转换效率仍低于单结钙钛矿电池,其中窄带隙钙钛矿晶粒表面缺陷密度高,是制约提升叠层电池效率的关键瓶颈。南京大学谭海仁团队通过设计钝化分子的极性,提升其在窄带隙钙钛矿晶粒表面缺陷位点上的吸附强度,显著增强缺陷钝化,大幅提升全钙钛矿叠层电池的效率。经国际权威检测机构日本电器安全环境研究所(JET)独立测试,叠层电池效率达26.4%,创造了钙钛矿电池新的纪录并首次超越了单结钙钛矿电池,与市场主流的晶硅电池最高效率相当。该团队开发出大面积叠层光伏组件的可量产化制备技术,使用致密半导体保形层来阻隔组件互连区域钙钛矿与金属背电极的接触,显著地提升了组件的光伏性能和稳定性,实现了国际认证效率21.7%的叠层组件(面积20 cm2)。

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