杨玉林和范瑞清课题组《德国应用化学》：钙钛矿光伏领域取得重要进展

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杨玉林教授与范瑞清教授带领的光电功能材料团队在钙钛矿光伏领域取得重要进展，研究成果以科研论文的形式发表在国际化学顶级期刊德国应用化学（Angewandte Chemie International Edition，影响因子12.275），并选为“Hot Paper”。论文题目为《杂化POM@Cu-BTC氧化剂的自组装并用于提升钙钛矿太阳能电池的效率及长期稳定性》(Self-Assembly of Hybrid Oxidant POM@Cu-BTC for Enhanced Efficiency and Long-time Stability of Perovskite Solar Cells DOI: 10.1002/anie.201909291)，杨玉林教授和范瑞清教授为文章通讯作者，我院2017级博士生董亚雨和师资博士后张健为共同第一作者，哈工大为唯一通讯单位。

       钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率（PCE）在近几年得到飞速的提升，目前认证的转换效率已经达到25.2％。尽管如此，钙钛矿太阳能电池的实际生产及应用仍受限于器件的稳定性。基于有机分子Spiro-OMeTAD空穴传输层材料的电导率和空穴迁移率仍然较低，达到氧化态需要的时间较长等问题，课题组提出结合金属有机骨架（MOFs）的多孔性和多金属氧酸盐（POMs）的氧化能力的优势，将多孔复合材料POM@Cu-BTC应用于PSCs的空穴传输层中，提升Spiro-OMeTAD分子的氧化效率及空穴传输层材料的电化学性能。结果表明，结构中的POMs能够在惰性气氛中定量可控地氧化Spiro-OMeTAD，掺杂后的HTM薄膜的电导率和空穴迁移率提升至未掺杂的近两倍，制备的钙钛矿太阳能器件实现了21.44％的PCE，并且填充因子高达0.80。此外，在30%相对湿度的室温条件下储存一月后，无封装的电池器件仍然能保持初始PCE的90%。因此，该研究工作提出了一种简单化学掺杂策略，即将氧化性的POMs与多孔的MOF结合后的杂化材料引入空穴传输层，不仅实现定量可控氧化Spiro-OMeTAD，提升薄膜的电导率和空穴迁移率，器件的长期稳定性也得到了明显地提升，对钙钛矿太阳能电池的产业化发展具有重要意义。
       杨玉林教授与范瑞清教授多年从事光伏器件和MOF材料研究，已在《先进能源材料》（Adv. Energy Mater. 影响因子：24.88），《材料化学A》（J. Mater. Chem. A，影响因子：10.73），《ACS材料化学与界面》（ACS Appl. Mater. Inter. 影响因子：8.45），（ChemSusChem，影响因子：7.8）等期刊发表研究成果50余篇。
       文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.201909291


        钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层，最后被FTO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。


       杨玉林，哈尔滨工业大学教授。中国化学会会员，黑龙江省化学会理事；J. Solid State Chem.，高等学校化学学报（中、英文版）、高等化工学报等审稿专家。研究方向：固体推进剂，钙钛矿太阳能电池界面调控。


       范瑞清，女，蒙古族，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。近五年来发表影响因子大于4的SCI学术论文80余篇，单篇他引最高130余次；主持国家自然基金面上项目4项、省部级以上课题10余项，荣获哈尔滨工业大学教学突出贡献奖，入选国家优秀教学团队骨干成员，哈工大优秀青年教师培养计划，获教学优秀奖。