百人计划特聘专家冯宏剑博士课题组在钙钛矿平面异质结太阳能电池领域取得突破性进展

近日，西北大学物理学院冯宏剑博士(陕西省百人计划特聘专家)在国际化学类顶尖学术期刊《美国化学会志》(JACS影响因子:11.444)在线发表了题为“Tunable optical properties and charge separation in CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2based planar perovskites cells”的全文型(Article)研究成果(DOI:10.1021/jacs.5b04 015)。该项研究工作由西北大学物理学院百人计划特聘专家冯宏剑博士课题组和美国内布拉斯加大学-林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授课题组和Evgeny Tsymbal教授课题组合作完成。是世界上首次对CH3NH3SnxPb1-xI3体系的光学带隙调控、结构预测和钙钛矿基异质结载流子分离输运机理进行深入研究的开创性工作。

钙钛矿型有机-无机杂化材料是近两年来备受关注的新型光伏材料，其光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到经过认证的19.3%，有望达到晶体硅电池的25%的水平。然而，获得该效率的太阳能电池所采用的有机空穴传输材料(HTM)价格昂贵，无空穴传输材料钙钛矿电池为人们研制简单、高效率、低成本的新结构提供思路，目前获得了12.84%的光电转换效率。但人们对CH3NH3PbI3基平面型异质结太阳能电池的光生载流子输运机理尚不清楚，同时Pb具有一定毒性，需要考虑用Sn来替代。针对这一难题，冯宏剑博士课题组和美国内布拉斯加大学-林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授和Evgeny Tsymbal教授课题组合作采用含时密度泛函理论(TD-DFT)对CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2平面型异质结电池的相变、光吸收、载流子输运机理进行了系统深入的长期研究，研究表明:CH3NH3SnxPb1-xI3在x≥0.5时为α相结构，在x＜0.5时为β相结构，Sn的引入有助于稳定非畸变的α相结构和减小光学带隙，理论结果和实验符合的非常完美;电子被聚集在异质结的界面并在界面处形成了金属态，完美的解释了CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2平面型异质结太阳能电池的 TiO2一侧为电子传输介质(ETM)，而CH3NH3SnxPb1-xI3起到了空穴传输层的作用(如图1所示);CH3NH3PbI3相比于CH3NH3SnI3有更强的载流子分离率。同时CH3NH3PbI3体系的光吸收和铁电极化相关联，其相关研究成果被冯宏剑博士以独立作者身份发表在《Journal of Power Sources》:J.Power Sources 291，58-65 2015(一区，影响因子:5.211)。

该项研究得到了国家自然科学基金、陕西省“百人计划”高层次人才项目、陕西省自然科学基础研究计划项目、陕西省教育厅专项科研计划项目的资助。