刘生忠、刘治科：全无机钙钛矿太阳电池研究中取得重要进展

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太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。1839年, 法国物理学家Becquerel发现了光生伏特效应，1876年，英国科学家Adams等人发现，当太阳光照射硒半导体时，会产生电流。这种光电效应太阳能电池的工作原理是当太阳光照在半导体 p-n 结区上，会激发形成空穴-电子对（激子)，在p-n结电场的作用下，激子首先被分离成为电子与空穴并分别向阴极和阳极输运。光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路就形成电流。目前太阳电池发展大致经历了三个阶段：第一代太阳电池主要指单晶硅和多晶硅太阳电池，其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%；第二代太阳电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如钙钛矿太阳电池、量子点电池以及有机太阳电池等。相比于第一代和第二代太阳电池，钙钛矿太阳电池由于具有制作成本低、理论光电转换效率高等优点受到人们的广泛关注。

        有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的效率已经达到了25.5%。然而，杂化钙钛矿中的有机组分（甲氨和甲眯）在热力学上是不稳定的，光照、加热和高湿条件都会诱导有机组分缓慢挥发或分解，从而导致杂化钙钛矿吸光层降解失效。相比之下，基于无机阳离子(Cs+)的全无机钙钛矿（CsPbX3）能够避免有机组分的挥发，进而有望从根本上解决钙钛矿的组分稳定性问题。在全无机钙钛矿家族中，CsPbI2Br具有合适的带隙和结构稳定性，因此近年来引起了研究者的广泛关注。2019年CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的效率已经达到了16.58%，但其开路电压较低，能量损失高达0.69 eV，效率远远落后于杂化钙钛矿太阳电池和无机CsPbI3钙钛矿太阳电池。因此，通过减少能量损失来提高CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压和效率很有必要。近日，我院刘生忠教授和刘治科教授等人通过给无机钙钛矿补“钙”来获得高效CsPbI2Br钙钛矿电池的新方法，在钙钛矿前驱体溶液中引入少量 (0.5%) CaCl2达到同时提高CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压、填充因子和效率的目的。CaCl2能够有效降低CsPbI2Br薄膜的结晶速率，降低薄膜的缺陷密度，增加薄膜的载流子寿命，并有效提升薄膜的费米能级，增大器件的内建电场，从而提高了CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压。掺杂0.5% CaCl2的CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的效率达到16.79%，开路电压为1.32 V，填充因子是83.29%。另外，未封装的CsPbI2Br钙钛矿太阳电池在空气中放置1080 h后，效率仍能保持其初始效率的90%，稳定性能优异。
        这一成果近期以“Controlled n-Doping in Air-Stable CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with a Record Efficiency of 16.79%”为题发表在Advanced Functional Materials上，我院硕士研究生韩玉和赵欢为论文的并列第一作者，刘生忠教授和刘治科教授为共同通讯作者。


        文章来源：陕西师范大学
       刘生忠，男，1963年生，宁夏平罗人。陕西师范大学教授、国家特聘教授。1983年获陕西师范大学理学学士学位，1986年获兰州大学理学硕士学位，1992年获美国西北大学工学博士学位。刘生忠教授研究领域集中在纳米材料、薄膜材料、太阳能光伏材料、电光薄膜的电化学沉积、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。研究成果发表在世界著名刊物上，包括美国的《Science》和英国的《Nature》。研究成果引起了广泛重视，其发表在《Science》上的C60分子结构被国际著名杂志长期用作封面照片，发表在英国《Nature》上的成果被许多报纸、刊物报道评论，多篇论文成为被“最多引用的论文”（most cited paper）。主要发明和专利中有多项已转化成工艺和产品，其它大部分被应用在生产上，其中“透明太阳能薄膜电池”荣获号称“发明家的奥斯卡奖”的“世界最佳发明奖”（R&D 100）。1998年入选“世界科学家工程师名人录”。2011年，刘生忠教授入选国家创新人才长期项目。
       刘治科，男，博士，陕西师范大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。研究方向：光伏器件：有机太阳能电池，钙钛矿太阳能电池；二维材料及其应用：石墨烯，MoS2 。