上海应用物理研究所在新型太阳能电池领域取得系列进展

近期，中国科学院上海应用物理研究所生命科学部高兴宇课题组先后分别与苏州大学孙宝全教授、廖良生教授课题组合作，在有机和钙钛矿太阳能电池研究领域取得一系列进展，以全文形式分别发表在Advanced Materials ( DOI:10.1002/adma.201600626)和ACS Applied Materials & Interfaces (DOI:10.1021/acsami.6b02064和DOI:10.1021/acsami.5b07983)等上。

能源在民生经济与国土安全中具有特别重要的战略地位。近些年各国政府与研究机构都把目光聚焦于太阳能的开发和利用。尽管有机和钙钛矿太阳电池近几年发展迅速，器件效率已达很高，但是由于研究时间尚短，仍存在诸多问题亟待解决。

图1. 钙钛矿太阳能电池多重有序电荷传输（上图）及空穴和电子迁移率提升结果（下图）

针对钙钛矿太阳电池毒性的问题，苏州大学廖良生课题组王照奎教授尝试采用引入铟（In）部分替代铅（Pb）的来制备钙钛矿太阳能电池，上海应用物理研究所高兴宇、杨迎国等研究人员结合上海光源衍射线站GIXRD实验，提出了掺铟钙钛矿太阳能电池薄膜的多重有序结晶取向和多重有序电荷传输通道理论（图1上图），并进一步通过电荷传输速率和器件性能实验得到证实（图1下图），从而很好的解释了掺铟钙钛矿型太阳能电池具备效率高（17.55%）和稳定性好的主要因素，也为开辟替代铅的钙钛矿太阳能电池研究奠定了一定的实验基础。该工作上海应物所与苏州大学为共同通信单位，相关结果已于近期发表在Advanced Materials（Zhaokui Wang, Meng Li, etal.DOI:10.1002/adma.201600626）上。

图2. 钙钛矿太阳能电池界面工程及器件性能和结构稳定性提升

通过传输层来进行界面工程以提高器件效率是钙钛矿太阳能电池的重要研究方向，上海应用物理研究所高兴宇、杨迎国、冯尚蕾等研究人员在与孙宝全教授课题组前期合作工作的基础上（Nanoscale，Zhongwei Wu etal. DOI:10.1039/C4NR03181D），以氧化石墨烯（GO）作为电荷传输层，通过引入氨基调控氧化石墨烯，优化钙钛矿薄膜生长界面的电子结构，同时改善薄膜的结晶性和晶面择优生长取向，大幅提升钙钛矿薄膜的结构稳定性和器件性能（转换效率由12%提升至16.13%）。该工作同时得到了苏州大学廖良生课题组和上海应用物理研究所李景烨课题组的帮助，相关结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces（Shanglei Feng, Yingguo Yang, Meng Li, etal.DOI:10.1021/acsami.6b02064）上。

图3. 有机太阳能电池主动层有机分子晶体结构改善（左）和器件性能提升（右）

利用金属纳米粒子掺入主动层来增强光吸收是提高有机太阳能器件的有效途径，上海应用物理研究所高兴宇、杨迎国、冯尚蕾、王菲等研究人员利用合成的金纳米颗粒掺入有机太阳能器件的电荷传输层，结果发现它不仅会提高器件的光学吸收，而且会很好地改善主动层有机分子的结晶和取向，进一步的器件测试表明器件效率得到了大幅提升，为新型太阳电池性能的提升提出了一种新思路。该工作得到了苏州大学孙宝全和廖良生教授课题组的帮助，相关结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces（Yingguo Yang, Shanglei Feng, etal. DOI:10.1021/acsami.5b07983）上。

这些工作中X射线衍射表征均在上海光源BL14B1线站上完成，同时得到国家自然科学基金、中科院百人计划、上海材料基因组等项目的共同支持。（生命科学部供稿）