他，H因子125，他引7.5万次，刚发Nature，再发Science！

今日，要向大家介绍一位大牛：北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授。

他，2000年本科毕业于湘潭大学，2003年硕士毕业于中科院半导体所，2007博士毕业于美国UCLA杨阳教授课题组。黄劲松教授作为钙钛矿材料研究领军人物，在钙钛矿太阳能电池、光探测器、射线探测器及X射线成像等领域取得突出成就。近年来已发表5篇Science, 1篇Nature1篇Joule, 8篇Nature Energy, 6篇Nature Photonics, 6篇Nature Materials, 1篇Nature Nanotechnology,以及JACS Science Advance、Advanced Materials、Energy and Environmental Science, Advanced Energy Materials数十篇，已在国际顶级期刊上发表学术论文近300篇，研究被媒体广泛报道，连续三年被Clarivate Analytics和Thomson Reuters评为世界高引用科学家，H因子高达125，总被引已达75000+。

今年4月份，黄劲松教授在《Nature》上以“Self-powered perovskite photon-counting detectors”为题发表成果，展示了自供电的多晶钙钛矿光电探测器在光子计数方面可以与商用硅光电倍增管(SiPMs)相媲美。

在最新一期《Science》上，黄劲松教授又发表了他们课题组的最新研究成果，小编就带大家一起学习一下黄劲松教授成果。

小面积n-i-p结构单结钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）已经达到单晶硅太阳能电池的水平（>25%）。然而，经认证的钙钛矿模块PCE仍低得多，约为19%，因为p-i-n结构钙钛矿太阳能电池的PCE较低，而且将小电池转移到模块后损失较大，这主要是由钙钛矿或电荷传输层的不均匀性引起的。改进结晶过程和钝化表面缺陷已被应用于进一步提高p-i-n结构器件的效率。与顶面相比，钙钛矿-孔-传输层（HTL）界面受到的关注要少得多。由埋藏界面的缺陷引起的界面载流子的非辐射再结合可能会限制p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池的效率。在HTLs附近的钙钛矿被观察到明显较小的光致发光（PL）量子产率。

基于此，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授报告了一种方法，通过将铅螯合分子（LCMs）（包括应用广泛的电子传输材料bathocuproine（BCP））嵌入HTLs中，有效地减少钙钛矿薄膜底部的无定形区域。BCP与DMSO竞争，通过强螯合作用与铅离子相互作用，这减少了DMSO的残留量，从而减少了HTL附近的钙钛矿的无定形区域。BCP 还钝化钙钛矿并改善了PCE，增加钙钛矿电池和微型模块的可重复性和稳定性。相关成果以“Lead-chelating hole-transport layers for efficient and stable perovskite minimodules”为题发表在《Science》上，第一作者为Chengbin Fei。

LCM与钙钛矿的强相互作用

作者通过将钝化物质混入HTLs来钝化底部的包晶石-HTL界面。作者使用了LCMs，这些分子在与HTLs的界面上与钙钛矿中的Pb2+发生强烈的相互作用（图1A）。作者选择BCP进行演示，当BCP与甲脒碘化铅（FAPbI3）溶液混合时，即使BCP浓度很低也出现了淡黄色的沉淀（图1B），表明反应产物的溶解度比BCP还要低。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量被用来研究BCP如何与包晶石前体相互作用（图1，D和E）。与FAPbI3混合后，BCP的C=N拉伸峰转移到一个较小的波数，这与电子密度向Pb2+的转移一致，并表明BCP与Pb2+的强相互作用。与单一的吡啶基团相比，螯合效应提供了与包晶石更强大的作用。在PbI2终止期间，BCP的两个N原子与FAPbI3的一个Pb原子结合（图1G），而对于DMSO，只有一个O-Pb键形成（图1H）。在有PbI2和FAI终止的两个表面上，BCP的结合能比DMSO大两到三倍。

图 1.BCP螯合铅离子

LCM对底部界面的缺陷钝化

作者将LCMs引入到PTAA层中，作者进行了稳态PL和PL寿命测量，以了解混合在PTAA中的LCM如何影响钙钛矿-HTL界面。当作者通过将入射的激发光从氧化铟锡（ITO）一侧进入底部界面时（图2A），BCP明显增强了稳态PL强度的1.7倍（图2B）。钙钛矿薄膜底部的PL寿命也从195 ns增加到452 ns（图2C），因此PTAA中预埋的BCP减少了钙钛矿底部界面的非辐射重组缺陷。为了验证BCP的钝化功能，作者在钙钛矿上面旋转了一个BCP层，以排除钙钛矿结晶度的影响。作者测量了从空气侧入射的光的PL光谱和PL寿命变化（图2D）。BCP将PL强度提高了1.2倍，并将PL寿命提高到1.43μs（图2，E和F），这证实了BCP对钙钛矿的钝化作用，并表明BCP的加入也改变了靠近该界面的钙钛矿的形态。

作者使用荧光寿命成像显微镜（FLIM）评估了钝化的钙钛矿-HTL界面的均匀性。在40μmx40μm的测量区域内，控制膜和目标膜的PL强度和寿命都相对均匀，但与控制膜相比，目标膜显示的PL强度为1.5倍，PL寿命为1.1倍。

图2.BCP在减少钙钛矿缺陷方面的功能

通过 LCM 减少钙钛矿中的非晶区

为了找出哪些缺陷是通过向PTAA引入BCP而减少的，作者使用热导率光谱和驱动级电容分析（DLCP）来测量器件的陷阱密度变化。图3A中的陷阱状态密度（tDOS）结果显示，Ii-密度在整个装置中没有变化，而Ii+密度明显降低。作者进行了扫描电子显微镜（SEM）测量，以检查使用PTAA作为HTL的控制钙钛矿装置中无定形区域的再结晶引起的空隙。对于有或没有BCP的新鲜样品，在钙钛矿薄膜的底部没有明显的形态差异。老化后，在老化对照样品的底部晶界周围出现了许多浅的空隙，类似于这种薄膜的热退火的结果。这表明BCP明显减少了钙钛矿薄膜底部无定形相的形成。

作者研究了为什么BCP可以减少非晶态区域。作者使用氢核磁共振（1H-NMR）光谱测量了薄膜退火后钙钛矿薄膜中捕获的DMSO含量。PTAA中的BCP确实减少了捕获的DMSO数量，在成膜过程中，BCP与DMSO竞争与底部区域的Pb2+协调，所以BCP：PTAA减少了与Pb2+结合的DMSO数量（图1C）。捕获的DMSO的减少导致了钙钛矿的无定形程度降低。通过BCP减少有缺陷的无定形钙钛矿，从而提高了器件的效率和稳定性。

图 3. BCP 对钙钛矿结晶的影响

通过 LCM 提高钙钛矿太阳能电池的性能

为了评估LCM如何影响钙钛矿太阳能电池的性能，作者用ITO/HTL/包晶石/C60/BCP/铜（Cu）的结构制造了包晶石太阳能电池（图4A）。作者选择BCP进行PCE的优化。工作面积为0.08平方厘米的控制装置的短路电流密度（JSC）为25.2 mA cm-2，VOC为1.13 V，FF为0.80，PCE为22.7%（图4B）。图4D显示了控制和目标器件的平均PCEs随时间的变化，在T90在轻度浸泡下，目标器件的使用寿命可以到达 3010 小时。

图 4 小面积钙钛矿器件性能

钙钛矿微型模块的效率和稳定性

作者将0.08平方厘米的小面积器件升级为孔径面积为20至30平方厘米的微型模块， 最小模块的子单元宽度为6.0毫米，死区宽度为320微米，导致几何填充系数为94.7%（图5A）。根据J-V扫描的结果，钙钛矿微型模块的认证冠军孔径PCE达到21.8%，孔径面积为26.9平方厘米。稳定功率输出测量方法给出的稳定PCE为21.1%（图5C）。

最小面积电池的PCE需要达到24.6%。这个效率接近小面积电池的测量平均PCE，表明钙钛矿薄膜非常均匀。采用BCP:PTAA HTL的微型模块的平均T90寿命达到了约2130小时，而对照微型模块的T90寿命只有约1380小时（图5E）。

图 5. 钙钛矿微型模块性能

小结：在PTAA HTLs中引入LCMs，提高了p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池的效率、稳定性和可重复性。随着钙钛矿层底部陷阱密度的降低和PTAA-钙钛矿界面的电荷重组，带有BCP的器件的平均PCE增加到24.1%。由于PTAA层中的BCP，钙钛矿层中的无定形层和DMSO残留物减少，导致晶界周围的空隙形成减少。PTAA中的BCP也将T90寿命从~1890小时增加到~3010小时。

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来源：高分子科学前沿

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