一流大学的教授伉俪,携手发Science!

7月30日,北京理工大学陈棋教授和北京大学周欢萍特聘研究员在Science上发表文章:Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility,开发了一种简单的钙钛矿薄膜退火工艺——液相介质退火,该工艺为高质量、组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径。

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值得一提的是,北京理工大学陈棋教授和北京大学周欢萍教授是一对夫妻,这对科研伉俪携手在Science上发表了这篇文章

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陈棋

陈棋,北京理工大学教授。2005年本科毕业于清华大学化工系,2007年硕士毕业于清华大学化学系,2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系,随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心。2016年入职北京理工大学。2019年,入选北京市自然科学基金杰出青年项目。主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究,材料广泛应用于能源、光电信息等器件,如太阳能电池等。迄今发表论文90余篇,包括Science、Nature Comm.、Joule、J Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等,H-Index 38,总引用超过14000次(Google Scholar),单篇最高他引超过4000次。入选“全球2018科睿唯安‘高被引科学家’名单”。承担多项国家级项目,包括北京市自然科学基金杰出青年项目,国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、北京市科技计划等。

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周欢萍

周欢萍,北京大学特聘研究员,博士生导师。2010年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院,师从严纯华院士,2010年至2015年期间,于美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系从事博士后工作研究,师从杨阳教授。其研究领域包括:低成本/高效率太阳能电池(如钙钛矿)的材料设计,器件构筑;纳米结构与光电器件的耦合;新型功能材料(如半导体或者稀土)的合成、性质研究及其在光电领域的应用。周欢萍研究员在Science, Nature Energy, Nature. Commun.,Joule, J. Am. Chem. Soc.,Nano Lett.,Adv. Mater.等材料、化学、物理及综合类的国际国内有影响的学术期刊上,累计发表学术论文100余篇,截止2020年7月被引用20000次以上,H因子为52,多次入选科睿唯安全球高被引作者。代表性研究工作“阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理”入选科学技术部高技术研究发展中心发布的2019年度中国科学十大进展。

有别于传统工艺在空气或氮气中直接退火,液相介质退火及器件制备有以下几个优势:

1)液相介质提供了均一的温场,由此实现钙钛矿薄膜的全方位均匀加热。传统退火只有“自下而上”的单一传热模式,传热方向与薄膜结晶生长方向不一致,且传热速度慢;而在该新的退火工艺中,当湿膜接触到液相介质后便迅速开始全方向的传热,特别是“自上而下”传热使得薄膜在短时间内达到退火温度。因此,液相介质退火制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸大,结晶度高,为高质量薄膜的可重复制备奠定了基础(如图2)。

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图1:钙钛矿薄膜在传统退火模式下的热场分布(A)和表面形貌(B),以及在液相介质退火下的热场分布(C)和表面形貌(D)

2)液相介质阻隔了钙钛矿与外界环境的接触,有效抑制了水、氧等分子与钙钛矿的反应,也避免有机氛围对钙钛矿结晶过程的影响。此外,液相介质构筑的“屏障”,能够抑制气相组分的挥发,从而抑制钙钛矿在高温下的热分解,保持组分的化学计量比。由此得到的钙钛薄膜缺陷更少,组分相态更均一,为高质量大面积薄膜制备提供了有一种的思路。

3)液相介质退火工艺显著降低了钙钛矿器件制备对环境的依赖性。在一年四季不同的环境条件下(湿度与温度),液相介质退火工艺制备的电池效率分布窄,平均效率达23%。而传统退火工艺制备的电池效率对环境敏感(冬天为22%以上,夏天仅19%)。该方法为全天候可重复的产业化生产奠定了基础。

液相介质退火使得钙钛矿薄膜具有更均一的光电性质,大面积与小面积的电池效率差异显著降低。目前,小面积器件(0.08 cm2)实现了24.04%的稳态输出效率,认证值为23.7%。而大面积器件(1 cm2)实现了23.15%的稳态输出效率,认证效率为22.3%,超过目前该面积下所有公开报道的第三方认证效率。该方法有望进一步推广至大面积电池模组的制备。

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图2:液相介质退火制备的小面积(A)与大面积(B)钙钛矿太阳能电池J-V曲线以及稳态效率;传统退火(Ref)与液相介质退火(LMA)得到的大小面积电池效率差异对比(C);一年四季不同退火条件下得到的器件性能统计(D)。

基于上述结果,研究者认为这种液相介质退火工艺为高质量,组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径,可以广泛应用于不同组分(如三维铅基、锡铅混合、二维等)钙钛矿光电器件(如太阳能电池、发光二极管等)的制备。

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