河南大学刘向阳教授研究团队：光电材料制备及在光伏电池器件中的应用

01.研究内容及原文信息

河南大学刘向阳教授研究团队自2015年以来已连续在Applied Physics Letters上公开发表7篇研究论文，主要研究内容包含：

1.基于Zn₂SnO₄ (ZTO)纳米线为电子传输层，将还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, RGO)均匀分散到Cu₄Bi₄S₉ (CBS)纳米带中，还原氧化石墨烯不但可以钝化Cu₄Bi₄S₉晶界缺陷，还可以促进光生电荷快速传输和高效萃取，明显提高电池器件光电转换效率，本工作为探索无毒、低成本、高丰度新型薄膜太阳能电池奠定了研究基础。该新型薄膜电池体系光生电荷分离机制如图1所示。

标题：Photochemical charges separation and photoelectric properties of flexible solar cells with two types of heterostructures.

期刊：Appl. Phys. Lett.,2015, 107(24):243901.

原文链接：http://dx.doi.org/10.1063/1.4937459

图1 ZTO/CBS-RGO薄膜太阳能电池光生电荷分离机制。

2. 基于ZnO纳米线为电子传输层，将弱氧化处理石墨烯纳米片(graphene nanoplates, GNs)均匀分散到Cu₄Bi₄S₉纳米带中，石墨烯纳米片不但可以和Cu₄Bi₄S₉形成光生电荷高效分离界面，还可以促进光生电荷快速传输和萃取，明显提高电池器件光电转换效率，本工作为探索新型薄膜太阳能电池奠定了实验和理论基础。该新型薄膜太阳能电池光生电荷分离机制如图2所示。

标题：Insights into collaborative separation process of photogenerated charges and superior performance of solar cells.

期刊：Appl. Phys. Lett., 2016, 109(4):043906.

原文链接：http://dx.doi.org/10.1063/1.4960157

图2 ZnO/CBS-GNs薄膜太阳能电池光生电荷分离机制。

3. 利用离子液体(EMIMBF₄)改善Ag纳米线分散性，获得优越光电性质透明电极；将弱氧化处理石墨烯纳米片(graphene nanosheets, GNs)均匀分散到SnO₂胶体溶液中，SnO₂纳米颗粒可牢固铆钉在石墨烯纳米片上、形成杂化电子传输层；旋涂沉积C₆₀自组装单层钝化电子传输层与钙钛矿界面缺陷，促进光生电荷快速传输和高效萃取，显著提升柔性钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PVSCs)光电性能，所获得电池器件最高光电转换效率为13.36%。两类钙钛矿太阳能电池有、无引入石墨烯纳米片对应光电响应参数如表1 所示，其中无石墨烯纳米片电池器件标记为PVSC-NGNs-C₆₀。

表1 钙钛矿太阳能电池有、无引入石墨烯纳米片对应光电响应参数

标题：High efficiency flexible perovskite solar cells using SnO₂/graphene electron selective layer and silver nanowires electrode.

期刊：Appl. Phys. Lett., 2018, 113(20):203903.

原文链接：https://doi.org/10.1063/1.5042299

4. 将溴化正丁基铵直接引入到钙钛矿前驱体，所形成2D/3D异质结构不但可以钝化钙钛矿晶界缺陷，还可以改善钙钛矿结晶性、降低缺陷态密度，促进光生电荷高效萃取；将NH4Cl/KCl溶液旋涂沉积在Alfa-SnO₂电子传输层表面，钝化电子传输层和钙钛矿界面缺陷，促进光生电荷高效分离。利用两种协同钝化效应可显著提升电池器件光电响应特性，所获得最高光电转换效率为21.02%。钙钛矿电池在两种钝化机制作用下光生电荷分离机制如图3所示。

标题：Comprehensive insights into defect passivation and charge dynamics for FA0.8MA0.15Cs0.05PbI2.8Br0.2 perovskite solar cells.

期刊：Appl. Phys. Lett., 2020, 117(1):013503.

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0010705

图3钙钛矿电池两种钝化机制作用下光生电荷分离机制。

5. 将二嵌段共聚物((PEO)₁₅₀-(PPO)₂₀)引入到钙钛矿前驱体，共聚物所形成无定形相可有效钝化钙钛矿晶界缺陷，抑制光生电荷复合；利用无氯原料制备钒掺杂SnO₂ (V-SnO₂)纳米晶，旋涂沉积得到电子传输层，可显著提高SnO₂薄膜载流子浓度和导电性，同时在V-SnO₂表面沉积二甲双胍或尿素，钝化电子传输层和钙钛矿界面缺陷，促进光生电荷高效萃取，所获得电池器件最高光电转换效率为22.87%。优化前后电池器件正/反扫描下J-V曲线及运行稳定性如图4所示。

标题：Enhanced charge dynamics via V-doped SnO₂ combined with interface functionalization for perovskite solar cells.

期刊：Appl. Phys. Lett., 2021, 119(24):243904.

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0073389

图4优化前后钙钛矿电池正/反扫描下J-V曲线及运行稳定性。

6. 将二嵌段共聚物((PEO)₁₅₀-(PPO)₃₀)与KBr所形成离子导电聚合物引入到钙钛矿前驱体，所形成聚合物相可有效钝化钙钛矿晶界缺陷，KBr分离后阴、阳离子在聚合物螺旋通道中快速传输可改善钙钛矿薄膜导电性；旋涂沉积商用Alfa-SnO₂胶体溶液，得到电子传输层，将甘氨酸沉积在Alfa-SnO₂表面，钝化电子传输层与钙钛矿界面缺陷，促进光生电荷高效分离，所获得电池器件最高效率为22.89%。优化前后电池器件正/反扫描下J-V曲线及运行稳定性如图5所示。

标题：Trap passivation in perovskite films for improved electrical properties and charge dynamics.

期刊：Appl. Phys. Lett., 2022, 120(22): 223903.

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0087431

图5优化前后钙钛矿电池正/反扫描下J-V曲线及运行稳定性。

7. 将二嵌段共聚物((PEO)120-(PPO)30)引入到钙钛矿前驱体，所形成聚合物相可有效钝化钙钛矿晶界缺陷，有效抑制光生电荷非辐射复合；添加柠檬酸优化制备SnO₂纳米晶，阻碍SnO₂纳米晶团聚，减小SnO₂纳米晶晶粒尺寸，提高SnO₂纳米晶结晶性，不但可以改善SnO₂薄膜致密性和完整性，还可以钝化电子传输层和钙钛矿界面缺陷，提高电池器件光捕获性能、减少光生电荷复合损失，所获得电池器件最高效率为23.12%。两类电池器件体相、界面热导纳谱及正反扫描下J-V曲线如图6所示。

标题：Enhanced carrier management via optimized SnO₂ preparation and film coverage for improved device performance.

期刊：Appl. Phys. Lett., 2023, 122(4): 043904.

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0135197

图6 两类电池器件体相、界面热导纳谱及正反扫描下J-V曲线。

02.团队介绍

河南大学刘向阳教授团队：主要从事半导体纳米材料、光电材料、新能源材料制备及在薄膜太阳能电池(钙钛矿太阳能电池、叠层钙钛矿太阳能电池、新型无机化合物太阳能电池等)、光电子器件、锂离子电池、钠离子电池及超级电容器中的应用与开发。近年来，研究团队已在Nano Energy，J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Inter., Appl. Phys. Lett.等国际著名学术期刊上发表学术论文60余篇。

团队成员(教师)：1. 刘向阳，博士，教授，博士生导师。2. 张杨，博士，教授，博士生导师，3. 刘新胜，博士，副教授，硕士生导师，4. 邢廷伦，博士，副教授，硕士生导师。

团队成员(学生)：孙家祺、秦超然、Irfan Liaquat、Attiq ur Rehman四名博士生，李金宇、赵浩生、张萌珂、靳文博、段凯耀、张鹏博、张宇航、顾清磊、田兴源、张晓帆、马兆华、梁思洋十二名硕士研究生。研究团队年龄梯度良好，均具有国外留学或访学经历，具有良好的研究基础和团队协作精神。

03.期刊介绍

Applied Physics Letters以简明扼要的最新报告为特色，介绍了应用物理学的重大新发现。APL强调关键数据和新的物理学见解的快速传播，及时发表新实验和理论论文，报告物理现象在科学，工程和现代技术的所有分支中的应用。

04.关于AIP出版社

美国物理联合会出版社（AIP 出版社）是美国物理联合会（AIP）旗下的非营利独资出版社。AIP 出版社的使命是在物理和相关科学领域开展学术出版活动，以支持AIP的慈善、科学和教育目标。我们也代表出版合作伙伴进行出版活动，以帮助其积极推进自身的使命。

访问主页：https://publishing.aip.org/