納米人編輯部對2019年國內外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是韓國首爾成均館大學的Nam-Gyu Park教授課題組。
Nam-GyuPark教授因共同發現並應用鈣鈦礦材料實現有效的能源轉換，榮獲化學領域2017年度“引文桂冠獎”。2017年，科睿唯安網站預測Nam-GyuPark是諾貝爾物理學獎獲得者之一。
Nam-GyuPark課題組一直致力於高效介觀太陽能電池研究。2012年首次報道了效率接近10%的全固態有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池，被認為是鈣鈦礦太陽能電池發展歷程中里程碑式的工作( Scientific reports, 2012, 2: 591)，單篇被引用超過5200次。
下面，我們簡要介紹Nam-Gyu Park教授課題組2019年部分重要成果，供大家交流學習。
1、Solar RRL：NiO薄膜中氧分壓對倒置鈣鈦礦太陽電池的影響
Nam-Gyu Park課題組報道了退火氣氛和氧分壓對退火NiO膜的影響以實現高效倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSC)。將溶液法NiO膜沉積在FTO上，並在不同的空氣，O2，N2和Ar氣氛下退火。使用空氣和O2退火的NiO薄膜的器件顯示出比N2和Ar退火的更好的光伏性能。
氧過量條件導致更多的p型特性以及更好的電學和界面性質，從而產生更高的光伏性能。當比較空氣和O2條件時，空氣退火的NiO薄膜顯示出較好的效率(空氣為15.68%，O2為14.93%)，這表明氧分壓的重要性。通過仔細改變氧含量，在O2 /(O2+N2)比率為30%退火的NiO薄膜實現最佳光伏性能，PCE為16.32%。
importance of Oxygen Partial Pressure inAnnealing NiOx Film for High Efficiency Inverted Perovskite Solar Cells. SolarRRL, 2019.
DOI: 10.1002/solr.201800339
https://doi.org/10.1002/solr.201800339
2、AM綜述：鈣鈦礦太陽能電池中的回滯現象
鈣鈦礦太陽能電池(PSC)中的電流密度電壓(J-V)回滯是一個關鍵問題，因為它與效率和穩定性有關。Nam-GyuPark課題組根據正置介孔和平面結構中的鈣鈦礦組成研究了J-V的滯後行為。此外，提出了針對無回滯PSC的方法。根據組成，在J-V曲線形狀方面存在回滯的特定趨勢。
離子遷移與界面附近的非輻射覆合相結合，在產生滯後現象中起著至關重要的作用。界面工程是減少滯後的有效方法;然而，體缺陷工程是消除滯後的最有希望的方法。無論鈣鈦礦組成如何，KI摻雜被證明是無滯後PSC的通用方法。最後提出了在電子傳輸層和空穴傳輸層附近的鈣鈦礦膜的調控對於實現無回滯的PSC和高效率是至關重要的。
On the Current–Voltage Hysteresis in PerovskiteSolar Cells: Dependence on Perovskite Composition and Methods to RemoveHysteresis. Adv. Mater.
Doi:10.1002/adma.201805214.
https://doi.org/10.1002/adma.201805214
3、ACS Energy Lett.：甲胺氣-鈣鈦礦簇助力大面積刮塗成膜!
對於規模化的鈣鈦礦太陽能電池(PSC)，在大面積(> 100 cm2)上沉積均勻和高質量的鈣鈦礦薄膜是先決條件。用於小面積旋塗的常規溶液通常含有高沸點的極性非質子溶劑，由於極性非質子溶劑與路易斯酸性PbI2或鈣鈦礦之間的強相互作用，無法控制和緩慢的乾燥過程而難以用於大面積刮塗。因此，前體溶液在大面積塗層的成功中起著至關重要的作用。
Nam-GyuPark課題組報道了適用於大面積鈣鈦礦薄膜的前軀體溶液。通過甲胺氣體介導的固液轉化製備的溶液含有預先形成的鈣鈦礦簇。在100 cm2的面積上通過刮塗製備出的CH3NH3PbI3薄膜，顯示出四方/立方超晶格結構，具有高度優選的取向。最佳器件的效率為17.82%。
Perovskite Cluster-Contained Solution forScalable D-bar Coating Toward High Throughput Perovskite Solar Cells. ACSEnergy Lett.
DOI:10.1021/acsenergylett.9b00042. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00042
4、AM：21%效率!咪唑乙酸鹽酸鹽助力鈣鈦礦太陽能電池
適當的化學連接體誘導的異質結界面處的化學相互作用對於高效率、無滯後和穩定的鈣鈦礦太陽能電池(PSC)是至關重要的。Nam-Gyu Park課題組通過4-咪唑乙酸鹽酸鹽(ImAcHCl)進行有效界面工程，通過咪唑鎓陽離子與鈣鈦礦的靜電相互作用在SnO2和鈣鈦礦之間提供化學橋接。此外，ImAcHCl中的氯陰離子在提高鈣鈦礦薄膜結晶度的結晶度方面起作用。
將ImAcHCl引入SnO2可重新調整導帶和價帶的位置，減少非輻射覆合，並改善載流子壽命。因此，效率分別在表面改性前後從18.60%±0.50%增加到20.22%±0.34%，這主要是由於1.084±0.012V至1.143±0.009 V的增強電壓所致。通過0.1 mg mL-1 ImAcHCl處理可獲得21%的最佳效率。此外，使用ImAcHCl改性SnO2的未封裝器件顯示出更好的熱穩定性和水分穩定性。
MultifunctionalChemical linker Imidazoleacetic Acid Hydrochloride for 21% Efficient and StablePlanar Perovskite Solar Cells，Adv. Mater. 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902902
5、Joule綜述: 柔性鈣鈦礦太陽能電池
柔性PSC(F-PSC)的重量輕和靈活性允許其在諸如便攜式電動充電器，電子紡織品，大型工業屋頂和無人駕駛飛行器)的電源等領域。然而，與剛性PSC相比，F-PSC的效率低，即F-PSC的最高效率為19.11%，這明顯低於剛性細器件的效率。此外，剛性鈣鈦礦模塊的世界最佳模塊效率(17.18%，30 cm2)比柔性鈣鈦礦模塊效率高(15.18%，30 cm2)。與剛性PSC相比，F-PSC沒有表現出更好的長期穩定性。
韓國成均館大學Nam-Gyu Park，Hyun Suk Jung和漢陽大學Min Jae Ko等人總結了F-PSC在效率和穩定性相對較低方面的基本挑戰以及最新的研究進展。此外，還介紹了目前F-PSC商業化的嘗試。
FlexiblePerovskite Solar Cells, Joule, 2019
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119303678
6、ACS Energy Lett.: 甲氧基硅烷交聯劑提高鈣鈦礦電池性能
實現具有最小非輻射覆合損失的高質量鈣鈦礦薄膜對於進一步提高鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的效率(PCE)至關重要。此外，PSC的不穩定性仍然是其大規模商業化的關鍵挑戰。然而，很難實現PCE和穩定性的同時增強。
鑑於此，Nam-Gyu Park課題組展示了一種有效且可重複的多功能添加劑工程策略，通過將由不同端基官能化的甲氧基硅烷交聯劑，中等電子給體-SH，弱電子給體-CH3和強吸電子-CN分別引入PbI2前體溶液中，進而沉積鈣鈦礦。研究表明，官能團在器件性能中起著至關重要的作用。在引入含有-SH官能團的(3-巰基丙基)三甲氧基硅烷(MPTS)後，PCE從18.4%(對照組)增加到20.8%，而3-氰基丙基三乙氧基硅烷(CPTS)含有-CN基團會降低整體光伏性能。PbI2和MPTS之間的路易斯酸鹼相互作用控制晶體生長，使得晶粒尺寸增加。此外，發現MPTS中的-SH有效地鈍化缺陷，導致更長的載流子壽命。最後，由於交聯硅氧烷網絡作為晶界的有效保護層的形成，器件的熱穩定性和水分穩定性得到明顯改善。該研究為多功能添加劑工程提供了指導，以同時實現高PCE和長期穩定性。
importance of Functional Group in Cross-linking MethoxysilaneAdditives for High Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells, ACS EnergyLett.2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b01356
7、ACS Energy Lett.: 2-甲氧基乙醇輔助鈣鈦礦光伏模組，19.44%效率!
Nam-Gyu Park課題組通過前驅體工程，結合氣刀輔助棒塗布機制備大面積鈣鈦礦薄膜。在由2-甲氧基乙醇(2ME)中的甲基碘化銨(MAI)和碘化鉛(PbI2)組成的母液中化學計量加入乙酸鉛(PbAc2)，得到MAPbI3和副產物甲基銨酸鹽(MAAc)。
可以在MAAc存在下控制晶體生長，同時乾燥溼膜。平均效率(PCE)達到15.14%。當在含有PbAc2的前體溶液中加入0.12 mol%碘化胍(GAI)時，小面積器件的PCE為19.44%，載流子壽命進一步提高了約46%，製備的大面積(46 cm2，有效面積為16 cm2)鈣鈦礦膜的模組PCE為13.85%。
PrecursorEngineering for Large-area Perovskite Solar Cell with >19% Efficiency, ACSEnergy Lett.2019
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsenergylett.9b01735?rand=qwav2bkz
8、AEM: 穩定鈣鈦礦太陽能電池的化學方法
化學鍵不僅決定材料的光電性能，而且決定材料的固有和非固有穩定性。成均館大學Nam-Gyu Park和Jin-WookLee 團隊基於鈣鈦礦材料與鈣鈦礦材料獨特的化學鍵合性質之間的相關性，回顧了鈣鈦礦材料固有和外部不穩定性的原因。國際電工委員會針對商業化的光伏模塊建立了許多關鍵的標準化穩定性測試。
基於這些程序，可以確定在測試程序過程中可能出現的材料降解的可能原因和相關機理，並就其化學鍵進行了討論。基於對關鍵原因的理解，作者總結了緩解潛在原因以增強鈣鈦礦太陽能電池穩定性的策略。最先進的鈣鈦礦太陽能電池的穩定性意味著需要開發改進的穩定性測試協議，以進入商業化的下一階段。
Chemical Approaches forStabilizing Perovskite Solar Cells. AEM 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201903249.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903249
9、AEM: 面向大面積，穩定和高效鈣鈦礦太陽能電池的研究方向
在2012年發現的效率僅有9.7%，穩定性只有500小時的固態鈣鈦礦太陽能電池(PSC)，引發了鈣鈦礦光伏技術的研究浪潮。僅僅7年後，2019年就獲得了25.2%的認證效率(PCE)。自2012年以來，PSC的出版物呈指數增長，截至2019年8月，出版物的總數達到13200多種。PCE的提升主要得益於器件結構工程以及鈣鈦礦組分工程。使用疏水性材料或2D/3D概念進行界面工程可以顯著改善長期穩定性。儘管小面積電池顯示出極高的效率，但朝著商業化的方向需要放大技術。
Nam-Gyu Park課題組在綜述文章中強調了向大面積，穩定，高效的PSC的研究方向。對於大面積鈣鈦礦層，前體溶液與塗層方法同樣重要，並闡述了前體工程和前軀體溶液的配方。而對於無回滯，穩定和高效的PSC，他認為界面工程是最好的方法之一，因為可以有效地鈍化缺陷，從而有效地減少非輻射覆合。
Research Direction toward Scalable, Stable,and High Efficiency Perovskite Solar Cells. AEM 2019.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903106
除此之外，Nam-Gyu Park教授還在添加劑、非鉛以及發光等研究方向有一些報道。感興趣的讀者可以自行檢索查閱。
Nam-Gyu Park教授簡介
Nam-Gyu Park教授2009年以全職教授身份加入韓國成均館大學。自1997年以來，一直致力於高效介觀太陽能電池研究，被業界公認為是該領域最重要的三位關鍵科學家之一。2012年首次報道了效率接近10%的全固態有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池，被認為是鈣鈦礦太陽能電池發展歷程中里程碑式的工作，隨後一直引領該領域的發展，已在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy and Nature Communications等國際著名期刊發表論文230多篇，被SCI引用四萬餘次。
納米人
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