Edward H. Sargent教授是加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士,加拿大纳米技术领域的首席科学家,加拿大多伦多大学副校长。主要从事发光和能量转换器件、生物传感以及能源催化剂制备相关的研究工作。他在国际上不仅开拓了胶体量子点 (CQDs)的光探测和转换研究领域,还聚焦于日益突出的能源短缺与环境污染问题,通过化学、纳米和能源的跨学科跨理论建模研究,一方面研制出绿色环保的新型钙钛矿太阳能电池(光电转换效率世界纪录保持者),另一方面积极探索研究新型用于制备可再生燃料和化工原料的催化剂。Edward教授在不断积极探索新方法、新材料和新原理的同时,也注重将实验室的纵向研究成果转化为可以面向大众的商品,目前已成立三家科技公司,实现了科学技术与生产力之间的转换。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦
EdwardH. Sargent教授团队成员合影

在此,我们梳理了Edward H. Sargent教授团队2020年以来在光转换材料、器件和催化邻域取得的研究成果,其中包括1篇正刊,6篇子刊,7篇Joule/AM/JACS/ACS Nano/Adv.Sci,颇为震撼!小编将围绕以下四点来展开:

一.电解催化

二.新型胶体量子点的制备和应用

三.钙钛矿光电器件

四、其他

注:本文仅选取了Edward H. Sargent院士作为(共同)通讯作者的论文;由于学术水平有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。

一.电解催化

1.Science:创纪录的速度,把二氧化碳转化为乙烯!

电解催化CO2还原为CO以及多碳有机物有望缓解目前日益突出的能源紧张与环境污染问题。一般的电解催化装置需要在水溶液中通过电解水来为多碳有机物提供质子,这就导致了一个严重的问题:CO2在水溶液中的扩散能力很差(碱溶液中扩散长度只有几十纳米),因此导致了低的电解电流密度(<100 mA cm−2)和低的能量转换效率,同时,由于电解催化反应在气( CO)-固(催化剂)-液(电解液)三相复合区进行,亲水的催化剂活性层会在高碱性环境下被腐蚀融入电解液,导致催化活性不断下降以及析氢反应加剧。

基于此,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队联合David Sinton教授团队设计了一种能够将气体、离子和电子解耦合的含金属-离子聚合物复合结构电解催化体系( CIBH ),在电解CO2制备多碳化合物时电流密度超过1 A cm−2,为目前报导的最高值。作者选用具有亲水-SO3基团和疏水-CF2基团的聚全氟磺酸(PFSA)涂覆在催化剂表面来实现CIBH这一结构,涂覆层表面的亲水基团接触催化剂使之与电解液充分浸润接触,有利于质子的产生,而内部的疏水通道则有利于CO2的传输。结果显示,厚度仅为5-10nm的涂覆层可以使CO2扩散长度提升近400倍,达到了微米级别。将该结构分别应用到Ag和Cu基的催化剂上进行CO2还原制备CO,Ag-CIBH和Cu-CIBH催化体系的电流密度分别能够达到400 m Acm−2和340 m Acm−2而原始的Ag和Cu催化剂电流密度分别只有54 mA cm−2和64 mA cm−2。在此理念上,作者设计了3D Cu- CIBH催化体系,在7M KOH电解液中CO2流量达到了50 cm3min –1,最大电流密度达到了1.32 A cm−2,阴极能量效率提高了45 %,这项技术大大提升了电解催化CO2制备多碳有机物在工业上的实际应用可行性(《Science》:创纪录的速度,把二氧化碳转化为乙烯!)。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

de Arquer F P G,Dinh C T, Ozden A, et al. CO2 electrolysis to multicarbon products atactivities greater than 1 A cm− 2[J]. Science, 2020, 367(6478): 661-666.

原文链接:

https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661

 

2.Nature catalysis:调整催化剂OH结合能实现选择性将乙烯电解成乙二醇

乙二醇是一种重要的制冷剂和聚合物单体,全球每年的消耗量达2000万吨。目前工业上主要是采用以乙烯为原料,环氧乙烷为中间体的高温两步法来制备乙二醇,这对环境造成了巨大的污染(该方法生产一吨乙二醇会排放1.6吨的CO2)。随着可再生电能技术的快速发展,通过电解催化乙烯以一部法来制备乙二醇逐渐成为替代目前两步法的最佳方案,然而,现在存在主要的问题有两个:一是制备效率低;二是得到的副产物(乙醛、乙酸和氧乙烷)较多。

针对这一问题,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队采用直接掺杂的方法制备了一种Au掺杂Pd纳米树突结构复合催化剂( Pd Au DNT ),Pd Au DNT能够高选择性地将乙烯电解催化成乙二醇。研究发现电解催化乙烯制备乙二醇中最难的一步是OH与中间体*C2H4OH结合形成乙二醇,而常规Pd催化剂的OH结合能较高(0.74 eV),不利于*OH附着在催化剂表面进行下一步反应。经过密度泛函理论计算,Au元素高的释放能(−0.06 eV)可以降低催化剂与OH的结合能,并且通过实验证明:仅掺杂3.2at.% Au的Pd Au DNT催化剂,电解催化乙烯制备乙二醇的法拉第效率达到80 %,局部电流密度达到5.7 mA cm−2,在1.1V,以Ag/AgCl为参比电极的条件下连续工作100 h后其催化能力基本保持不变,而相同条件下的Pd DNT催化剂法拉第效率约只有60 %,局部电流密度仅为2.5 mA cm−2,不到Pd Au DNT催化剂的一半。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Lum Y, Huang JE, Wang Z, et al. Tuning OH binding energy enables selective electrochemicaloxidation of ethylene to ethylene glycol[J]. Nature Catalysis, 2020: 1-9.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4

 

 

3.JACS:降低CO2浓度提高对甲烷电解催化的转化率

甲烷是结构最简单的有机化学物,是一种重要的清洁燃料和工业原料。通过电解催化法可以制备包括甲烷在内的大量有机物,但是目前制备甲烷时选择性还很低,法拉第效率大概只有(18 ± 4)%,大大降低了生产效率。

近日,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队研究发现电解过程中*CO质子化成*CHO(甲烷的前驱体)与*CO发生C-C耦合成C2化学物的反应是一对竞争反应,并通过降低*CO在催化剂表面浓度的方法促进了*CO的质子化,提高了甲烷的选择性电解催化制备。研究者在1M KHCO3电解液中,以沉积在多孔PTFE上的纳米Cu作为催化剂体系,研究了不同CO2浓度对甲烷的选择性电解催化制备的影响。CO2浓度分别为25%, 50%, 75%和100%的气体源测试结果表明,在低电流密度下(≤100 mA cm−2),FEmethane/FEC2+值(甲烷与二碳化学物含量比)值几乎不随CO2浓度的变化而变化,而在高电流密度条件下(200−250 mA cm−2), FEmethane/FEC2+值随着CO2浓度的下降而上升,说明这种以调节CO2浓度进而控制*CO浓度的方法可以大大提升甲烷的选择性制备。最终,在CO2浓度为75 %,电流密度为108 ± 5 mA cm−2的条件下,甲烷的法拉第效率达到了(48 ± 2) %,并且在连续工作22 h后效率能够保持在42 %。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

WangX, Xu A, Li F, et al. Efficient methane electrosynthesis enabled by tuninglocal CO2 availability[J]. Journal of the American Chemical Society, 2020.

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12445

 

4.Advanced Materials:水合作用促进中性条件OER反应

中性电解液条件下的氧还原反应(OER)提高了在生物混合系统中制备可再生燃料和化学品的可行性。然而,由于中性电解液中反应物浓度比碱性电解液的浓度低几个数量级,导致目前中性电解液中OER的超电势超过了460 mV (10 mA cm 2电流密度条件下)。虽然最近研究报道的氧化铱(IrO2)、Co基、Ni基、和Mn基催化剂可以减低超电势,但是这些催化剂还不能满足低于350 mV的超电势和长的使用寿命(>500 h)这一要求。

针对这一问题,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队南开大学Zhang Xiaodan 教授团队合作采用在催化剂中引入水合离子通过降低催化剂与氧的距离来促进水吸收的策略,将中性电解液中的OER反应超电势降低至310 mV (10 mA cm 2电流密度条件下)。研究表明,提高催化剂与水的吸附性可以提高中性体系中OER反应的性能,研究者制备了两种含杂离子的复合催化剂:一是含促进水合作用的Mg离子Ni–Fe–Mg (HEP )催化剂,另一种是含抑制水合作用的Ba离子Ni–Fe–Ba ( HEL )催化剂。在CO2饱和的0.5 M KHCO3溶液中进行三电极线性扫描伏安法( LSV )极化测试,结果表明相比于HEL型催化剂,HEP型催化剂在10 mA cm 2电流密度条件下只需要514 mV的超电势。将HEP型催化剂负载在Au包裹的Ni泡沫上,其OER反应超电势降低至310 mV,在连续的900 h测试过程中,法拉第效率一直保持在98 % ± 2 %范围内,大大提高了能量利用率。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

WangN, Cao Z, Zheng X, et al. Hydration‐Effect‐Promoting Ni–Fe OxyhydroxideCatalysts for Neutral Water Oxidation[J]. Advanced Materials, 1906806.

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906806

 

二.新型胶体量子点的制备和应用

1.Nature Communication:串联法改性胶体量子点用于太阳能电池

胶体量子点(CQDs)有着自下而上的精确尺寸和化学结构可调的特性,在光电领域有着重要的应用。例如在在能源方面,通过控制CQDs的表面性质及其器件结构,可以提高载流子的扩散长度进而制备高功率转换效率(PCE)的太阳能电池。然而在制备本征均质结构CQDs器件时发现:虽然CQD在载流子提取和传输方面具有优势,但由于很难对CQD的表面进行高效而稳定的钝化,因此本征均质结构器件的性能还没有超过平面器件。其根本原因在于修饰改性时掺杂的配体有较大的空间位阻,导致了表面产生大量的缺陷。而且不同配体修饰的CQDs油墨相容性较差,混合在一起制备太阳能电池薄膜时会导致CQD的聚集,从而影响光电器件性能。

鉴于此,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队和韩国先进科技学院的Lih Juann Chen教授团队研究者基于串联表面修饰(CSM)的策略,制备了一种n型和p型CQD油墨均匀分布的本征均质结构CQDs块体,用于制备太阳能电池薄膜。其中,CSM策略包括两个步骤:先对CQD表面进行初始卤化(钝化),然后再用功能配体重新修饰CQD表面,以控制得到的CQD油墨具有特定的掺杂特性和溶解性。该策略合成的p型和n型CQD油墨同时具备优异的表面钝化和混溶性,可以获得稳定的混合量子点胶体。混合胶体制备的本征均质结构薄膜的中,由于光激发载流子在不同物理路径上的分离和输运得到了优化,因此载流子扩散长度得到显著提升,达到了340 nm,相比于之前纯p-型CQD油墨制备的薄膜最高值(221 nm)提升150 %,制备的太阳能电池的PCE值达到了目前CQDs电池中最高的13.3 %,并在AM1.5G的测试条件下(氮气氛围)连续工作110 h后只降低了13 %。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

ChoiM J, de Arquer F P G, Proppe A H, et al. Cascade surface modification ofcolloidal quantum dot inks enables efficient bulk homojunctionphotovoltaics[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-9.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13437-2

 

 

2.Advanced Materials:稳定表面钝化提高胶体量子点光伏器件空气氛围工作稳定性

胶体量子点(CQDs)应用在光伏器件(PV)上目前面临的一个问题是在空气中不能稳定地工作,这是因为CQDs有很大的比表面积,在O2氛围中很容易被氧化。研究发现具有大原子半径的卤化物,如碘化物,可以对CQDs进行表面钝化修饰来抑制氧化作用,比如用PbI2对PbS型CQDs进行修饰后,光伏器件在空气中储存1000h后仍然可以保持90%的工作效率。但是在实际应用是在电场条件下进行的,所以在进行测试时应当在最大功率点(MPP)运行,进而再来评价光伏器件的性能。例如,在MPP状态下对PbI2饰钝化的CQDs光伏器件进行测试,结果发现在空气中连续测试50 h后只有75%的有效功率得到了保持,这远远低于之前文献报道的1000 h和90 %。那么如何才能制备出抗氧化性能优异的CQDs光伏器件呢?

近日,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队通过一种二次修饰方法—在PbI2修饰钝化的CQDs表面再修饰一层抗氧化性更强的KI外壳,制备的CQDs光伏器件在MPP状态(空气氛围)下连续工作300 h后仍然可以保持80 %的有效功率KI+PbI2的组合修饰体系对氧化作用的抑制明显优于纯的PbI2修饰体系,根据理论,Pb-O吉布斯自由能(ΔGOPbO= −189.24 kJ mol−1)小于Pb-I吉布斯自由能(ΔGOPbI2 = −173.59 kJ mol−1),因而O2入侵后,PbI2氧化成PbO,里面的PbS胶体量子点被氧化成PbSO3和PbSO4;而K与I的结合能力更强(ΔGOKI= −322.29 kJ mol−1小于ΔGOK2O = −240.58 kJ mol−1),不容易被氧化,同时根据密度泛函理论(DFT)计算出KI对CQDs中的S位点有更强的保护作用。实验结果发现0.02M的KI对CQDs抗氧化能力提升最大,制备的光伏器件薄膜在85 ℃空气中处理后其吸收光谱也基本保持不变,说明材料未被氧化;加入的KI除了可以提高光伏器件的抗氧化能力,而且还提高了材料的载流子寿命(提高1.2倍)、电流载荷子迁移率和外部量子效率(EQE),进而其功率转换效率(PCE)也从纯PbS CQDs器件的11.4 %提高至12.6 %。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

ChoiJ, Choi M J, Kim J, et al. Stabilizing Surface Passivation Enables StableOperation of Colloidal Quantum Dot Photovoltaic Devices at Maximum Power Pointin an Air Ambient[J]. Advanced Materials, 2020: 1906497.

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906497

 

3.Nano Letter:发射角度可调胶体量子点激光发射器

溶液中可加工的胶体量子点( CQDs )具有的更高荧光量子产率和更好的光稳定性等优点使其在相干光源领域具有重要的应用潜力。但是CQDs受激发光时由于电子-空穴复合能转移到第三电荷载流子上,而不是作为光子发射,从而导致了非辐射的Auger损失,造成发光效率降低。目前通常采用的策略是制备壳核结构的CQD来抑制非辐射Auger损失,因为宽能隙的壳除了可以使CQD载流子在耦合减弱的情况下使电子和空穴在空间上分离来提高核的光学增益外,大体积结构的壳(>10单分子层)也可以被受激发光。但是在投影显示、遥感、芯片光学互联等应用邻域,往往需要激光方向可调,而CQDs发射器目前还很难做到这一点。

针对这一应用难题,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队联合美国西北大学Teri W. Odom教授团队利用等离子纳米点阵中的高对称性,制备了激发角度可调的CQDs激光发射器。研究人员首先在Si板上制备了间距为400 nm,直径和高度分别为70 nm和60 nm的纳米Ag柱2D点阵,然后在点阵上覆盖一层越90 nm厚的含壳( CdS )-核( CdSe )结构的CQD激发层薄膜。这种靠近点阵∆点的杂化波导表面晶格共振(W-SLR)模式将有利于激光从异常的角度发射,由于会得到来自W-SLR模式侧带的光反馈,激光波束被方位偏振化并呈圆环状。通过改变点阵的周期性, 就可以来调节其他高对称点(Γ或M)与CdS壳的激发光发生重叠来控制不同的激光角度。同时,通过简单的增加CQDs薄膜的厚度,就可以获得避免了在光子带结构中交叉的高阶W-SLR模式,进而扩展了空腔模式的选择,可以实现任何角度的激光发射。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Guan J, Sagar LK, Li R, et al. Engineering Directionality in Quantum Dot Shell Lasing UsingPlasmonic Lattices[J]. Nano Letters, 2020.

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b05342

 

4.ACS Nano:偏振模式可控的量子点/等离子激光发射器

偏振态相干光大大促进了光子技术的发展,在显微、生物物理、量子光学等领域有着重要的应用。大多数依靠体积庞大的光学元件实现的偏振激光技术很难应用在微型的芯片器件上,因而能够发射高效、具有理想偏振模式的纳米级光源和器件目前成为了该领域的研究重点。其中,胶体量子点( CQDs )具有高的荧光量子产率和溶液相的可加工性等优点,是一种很有前途的纳米发光介质,但是目前单纯的CQDs器件还很难对激光偏振进行有效的控制。而等离子体纳米粒子( NP )点阵作为一种特殊的纳米结构,其中NPs之间的衍射耦合产生的表面晶格共振( SLRs )具有高质量的因子和受约束的亚波长模式。通过控制折射率、光偏振和点阵几何结构来调节SLRs模式的带结构,使得激发的波长可以实时调整,从而实现多种模式可切换的激光发射。

通过结合等离子NP点阵与CQDs的优势,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队联合美国西北大学的Teri W. Odom教授团队制备了一种基于CQDs和等离子体金属NP,由近场耦合来控制激光偏振模式的量子点等离子体激光器。在Ag NP点阵上涂覆一层含CdSe−CdS核-壳结构的CQD薄膜,高折射率CQD薄膜形成的光波导与Ag NP点阵引发的表面晶格共振共同形成了具有杂化波导表面晶格共振( W-SLR )模式的结构。这种W-SLR模式结构使得激光在非零波转换器内以平面模式发射,可以通过控制CQD薄膜的厚度来实现任意径向和方位偏振光的发射,实现了一种能够从纳米激光源产生所需偏振模式的微型化材料系统,为量子通信和信息应用中所需的量子体/等离子体混合系统设计提供了前景。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Guan J, Sagar L K, Li R, et al. Quantum Dot-Plasmon Lasing withControlled Polarization Patterns[J]. ACS nano, 2020.

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09466

 

三、钙钛矿光电器件

1.Nature Energy:刷新记录!倒置型钙钛矿太阳能电池光转换效率提升至22.3%

相对于常规型的金属/卤素钙钛矿,空穴和电子传输层反转的倒置型金属/卤素钙钛矿器件在使用时有着更稳定的状态和长的寿命因而在太阳能电池邻域得到了广泛的研究。然而电荷载流子的非辐射复合导致的光电压损失造成倒置型钙钛矿太阳能电池很低的功率转换效率( PCE ),根据目前认证的结果,倒置型钙钛矿太阳能电池的PCE只能达到20.9 %,远低于常规型最高的25.2 %。如何进一步提高倒置型钙钛矿的PCE值是更优质太阳能电池得到实际应用所要亟需解决的一个问题。

目前的研究表明由钙钛矿内部晶体缺陷引起的电子陷阱态是电荷载流子非辐射复合,即低PCE值的来源,针对这一问题,近日多伦多大学Edward H. Sargent教授团队联合沙特国王科技大学Osman M. Bakr教授团队共同研究采用采用烷基胺( AALs )小分子在钙钛矿制备过成中对形成的晶粒表面和边界进行原位自组装修饰的方法,通过促进钙钛矿晶粒生长时的高度取向排列和减少缺陷的产生来大幅度提高倒置型钙钛矿太阳能电池的PCE值,达到了22.3%(实验室设备测试结果达到23%),并且在模拟的AM1.5照明条件下以最大功率运行超过1000小时后其效率几乎没有下降。

在Cs0.05( FA0.92MA0.08 )0.95Pb( I0.92Br0.08 )3倒置型钙钛矿制备过程中,AALs上的氨基锚定在钙钛矿晶粒上,尾部的疏水的烷基链填充在晶粒界面处并在范德华力作用下稳定存在,AALs的存在限制了钙钛矿晶粒颗粒在生长过程中的倾斜,最终形成了一个(100)主导取向的薄膜,其缺陷密度低于随机取向的薄膜。随着生长的进行,具有疏水长链的AALs最终被排出到钙钛矿薄膜表面,增加了薄膜的疏水性。研究结果表明具有各向异性电子特性的钙钛矿切面会使得薄膜晶体整体取向进而减少缺陷,这为后续优异而稳定的倒置型钙钛矿太阳能电池的设计和制备提供了重要的理论基础。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Zheng, Xiaopeng, etal. “Managing grains and interfaces via ligand anchoring enables22.3%-efficiency inverted perovskite solar cells.” Nature Energy (2020):1-10.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0538-4

 

2.Nature Materials:深度解析钙钛矿组分-结构-性能之间的关系

目前通过优化钙钛矿活化层的元素种类和含量,可以使性能最优异的钙钛矿太阳能电池能源转换效率达到25.2 %。钙钛矿活化层组成一般结构式为ABX3,其中A部分是金属铯( Cs ),甲基胺( MA )以及甲脒( FA )的组合,X部分是卤素Br和I的组合。原理上讲Cs和FA是形成稳定钙钛矿结构的必要组分,而MA部分则可有可无。但是实验的结果表明只有当组分中至少含有5 %以上的MA时,钙钛矿才具有优异的能源转换效率。如何正确理解和掌握钙钛矿材料中不同组分对晶体结构,进而对材料性能的影响关系,对于制备新型和性能更加优异的钙钛矿材料而言具有重要的指导作用。

基于此,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队与美国麻省理工学院William A. Tisdale教授团队利用瞬态光致发光显微镜( TPLM )并结合理论模型的建立,深度探究了了钙钛矿材料组分-结构-性能之间的关系,研究发现单晶钙钛矿材料内部载流子的扩散率与结构组成无关;多晶钙钛矿薄膜内化学成分的组成会对材料内部载流子扩散行为产生显著影响:不含MA的CsFA型钙钛矿载流子扩散率比CsMAFA型钙钛矿载流子扩散率(0.034 cm2s−1)低一个数量级。研究者对不同组分钙钛矿之间的载流子扩散动力学做了细致的研究,发现相对于CsFA型钙钛矿,含多种阳离子的CsMAFA型钙钛矿中不仅具有更长的载流子扩散长度,也有很长的载流子寿命,这主要来源于内部晶粒间低势能垒,而根据EDX和XPS检测分析,CsFA型钙钛矿更高的势能垒来源于其非均匀结晶,导致晶粒内外的元素含量不一致,形成了不利于载流子扩散的“壳核结构”。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Saidaminov M I, WilliamsK, Wei M, et al. Multi-cation perovskites prevent carrier reflection from grainsurfaces[J]. Nature Materials, 2020: 1-7.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0602-2

 

3.Nature Photonics:量子点提升钙钛矿LED发光效率

有机/无机杂化钙钛矿( QDiP )是一种结合了优异电荷传输特性的钙钛矿和带隙可调的量子点的新复合材料,所产生的高亮度、高效率的红外光源在夜视、光通信、生物和医药领域有着重要的应用。然而在常规QDiP体系中,金属卤化物钙钛矿中快速且不平衡的载流子导致了对高效发光不利的不均衡电荷积聚、高注入电流和高俄歇复合等问题。此外,为了高亮度发光而大量添加的量子点( QD )在LED器件运行时会发生相分离,导致了较差的钝化效果和无效的能量传递途径产生,这也对高效发光不利。

鉴于此,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队与华中科技大学Jiang Tang教授团队联合开发了一种在溶液中添加稳定剂使PbS QD得到稳定分散并且快速引发钙钛矿成核结晶的方法,制备了PbS QD均匀分散在低维层状钙钛矿中的复合薄膜( QDLP ),显示出优异的发光性能。在该研究中作者们选用苯乙胺( PEA )作为稳定剂,可以使PbS QD在均匀取向的多层钙钛矿基体中获得高度有序的钝化量子点阵列,并且能保持与纯溶液相中相当的光致发光量子产率(45 %)。复合薄膜制备的LED器件工作时定向的将超快能量转移到PbS QD上,避免了钙钛矿内部不均衡的自由载流子积累导致的非辐射复合。短红外波长区发光测试结果表明,QDLP型LED的外部量子效率( EQE )达到了8.1 %( 980nm )亮度达到了7.4 WSr−1m−2,其值是目前常规QDiP体系最高值的40倍。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

GaoL, Quan L N, de Arquer F P G, et al. Efficient near-infrared light-emittingdiodes based on quantum dots in layered perovskite[J]. Nature Photonics, 2020:1-7.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0577-1

 

4.Advanced Materials:通过钝化缺陷来同时提高Pb-Sn钙钛矿太阳能电池工作稳定性和效率

Pb-Sn钙钛矿较低的功率转换效率( PCE )限制了高效而稳定的全Sn-Pb钙钛矿串联太阳能电池( Sn-Pb PSCs )进一步的发展。研究表明向体系中引入层状的钙钛矿进而结合形成2D/3D复合结构可以同时提高电池的工作效率和稳定性,但是实验结果证明这种结构对于纯Pb钙钛矿有明显的效果,而对于Pb-Sn钙钛矿,这种结构虽然一定程度提高了电池的稳定性,但是层状钙钛矿阻止了平面外的载流子的运输,从而导致了低的填充因子(FF < 70%),这导致效率并没有明显的提升。

为了制备高效且稳定的Sn-Pb PSCs,近日,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队联合南京大学Hairen Tan教授团队在制备Sn-Pb PSCs过程中,将苯乙胺( PEA )阳离子直接引入到抗溶剂中,利用钙钛矿薄膜表面和薄膜内晶界边缘的缺陷原位钝化来减少陷阱态电荷载流子,同时避免了层状钙钛矿相的过度形成,提升了电荷载流子的传输效率。这种原位钝化法与传统的异丙醇(IPA)后处理方法相比,制备的薄膜表面缺陷和瑕疵更少,形成的钝化层对陷阱态电荷载流子具有抑制和减少作用,器件运行效率得到大幅度提高。测试结果表明,该方法制备的Sn-Pb PSCs达到了79%的填充因子和19.4 %的功率转换效率,并且其运行寿命比未经过钝化处理的Sn-Pb PSCs提高了200倍,效率在AM1.5G的测试条件下连续工作200 h无下降,有望用于高性能的全钙钛矿串联太阳能电池。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

WeiM, Xiao K, Walters G, et al. Combining Efficiency and Stability in MixedTin–Lead Perovskite Solar Cells by Capping Grains with an Ultrathin 2DLayer[J]. Advanced Materials, 2020: 1907058.

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907058

 

5.Joule:优化溶剂溶质制备高效钙钛矿太阳能聚光器

太阳能聚光器( LSC )可以将太阳光从一个较大的区域集中到一个较小的区域,从而减少光伏( PV )材料的消耗,大大提高了光能转化效率。LSC是一种半透明的光学板,其中生色团嵌在透明的波导管中,它首先吸收来自太阳光入射的光子,然后重新发射出波长更长的光子。重新发射的光子被引导到LSC的边缘,再由此处的太阳能电池将聚集的光转换成电能。低维钙钛矿纳米片( PNPLs )由于多重量子阱(MQWs )提供的能量漏斗可以产生大的Stokes位移和高效的光致发光(PL),成为应用于LSC中最有潜力的生色材料之一。由于较窄范围内波长吸收的能力,目前使用的Br基PNPLs只能达到1.5%的光转换效率( ηopt ),开发和制备新结构的PNPLs对于提高LSC的太阳能光转换效率具有重要意义。

加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队和沙特国王科技大学Osman M. Bakr教授团队近日联合开发了一种I基PNPLs,与PMMA复合后制备得到的10×10 cm大小的LSC薄膜器件其荧光量子产率( PLQY )达到了56 %, 光转换效率达到了2 %,是之前报道最高值的1.3倍。与Br基PNPLs相比,虽然I基PNPLs具有更宽的波长吸收范围,但是只有当前驱体PbIx2-x能提供恰当的MQWs时才能实现宽频太阳光波的吸收。为此,研究者们通过调控溶剂与反溶剂的组成和比例来实现这一点。研究发现:以高极性( 古特曼贡献值= 26.6 kcal/mol )的DMF与低极性的CB( 古特曼贡献值= 3.3 kcal/mol)混合溶剂作为制备I基PNPLs的前驱体溶剂时,体系中PbI2比例减小而具有活性的配位碘离子PbI3比例会增加当两种溶剂的比例为1:1时,最终获得的PNPLs具有最佳的晶体构型和更广的MQW分布,因而具有更广的波长吸收范围、更有效的能量漏斗以及更高的的光发射能力。而不含CB的溶液中由于生成的PbI2占主导,得到的PNPLs结构不稳定,光发射和转换效率也很低。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Li Z,Johnston A, Wei M, et al. Solvent-Solute Coordination Engineering for EfficientPerovskite Luminescent Solar Concentrators[J]. Joule, 2020.

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300301

 

6.Advanced Science:孪晶缺陷对钙钛矿太阳能电池性能的影响

虽然目前基于钙钛矿薄膜的太阳能电池最大功率转换效率(PCE)接近于单晶硅为基体的太阳能电池,但是钙钛矿生长过程中在晶粒表面和晶粒之间形成的缺陷限制了其性能的进一步的提升,其中孪晶缺陷就是一种典型的缺陷。密度泛函理论计算表明混合离子钙钛矿中可能形成( 111 )孪晶缺陷,它会引起富Cs和富I相的二次成核,导致价带边缘附近的空穴转变为缺陷,形成陷阱态。然而目前孪晶缺陷的具体产生路径以及与太阳能电池PCE值之间的关系尚不清晰。

为了探究清楚这一问题,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授团队和国立清华大学Lih Juann Chen教授团队合作通过TEM直接观测以及结合XRD进行晶体结构分析发现,孪晶缺陷与钙钛矿中添加的反溶剂量有关,孪晶缺陷会降低钙钛矿光电材料性能,而通过异质过饱和成核法则可以抑制孪晶缺陷的产生。作者研究对比了制备过程中分别含200 – 500 μL CB 反溶剂的钙钛矿,发现低含量的反溶剂制备的钙钛矿在TEM中显示出更少的孪晶缺陷和在荧光测试中显示出更长的载流子寿命(200 μL 反溶剂对应930 ns,500 μL 反溶剂对应330 ns ),因而有更高的PCE和稳定功率输出( SPO )值。而XRD分析表明( 111 )孪晶界倾向于在( 100 )平面上形成应力而导致孪晶缺陷,进而导致晶面间距较小,衍射峰向高角度移动。该研究工作探究了孪晶缺陷和钙钛矿太阳能电池性能之间的联系,并指出进一步减少钙钛矿颗粒中的缺陷可能有助于进一步提升多晶钙钛矿太阳能电池性能。

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Tan CS, Hou Y, Saidaminov M I, et al. Heterogeneous Supersaturation in MixedPerovskites[J]. Advanced Science, 2020: 1903166.

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201903166

 

 四、其他方向:

1.JPCL:从光学斯塔克效应和多体微扰理论得到的跃迁偶极矩n = 1,2,3的钙钛矿量子阱

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Proppe A H, Walters G W, Alsalloum A Y Y, et al. Transition Dipole Momentsof n= 1, 2, and 3 Perovskite Quantum Wells from the Optical Stark Effect andMany-Body Perturbation Theory[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters,2020.

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.9b03349

 

 

2.《Nature Nanotechn.》 半导体纳米棒的区域选择性磁化(这篇文章第一通讯作者是中科大俞书宏教授)

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

参考文献:

Zhuang T T, Li Y, Gao X, et al. Regioselective magnetization insemiconducting nanorods[J]. Nature Nanotechnology, 2020: 1-6.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8

 

Edward H. Sargen院士简介

震撼!仅2个月,发表1篇Science,10余篇子刊/AM/JACS—加拿大两院院士Sargent教授成果集锦

Edward H. Sargent教授,多伦多大学副校长,加拿大皇家科学院院士,加拿大工程院院士,加拿大科技部纳米技术分部主席,InVisage Technologies 创始人,Xagenic共同创始人,AAAS会士,IEEE会士,ACS Photonics副主编。Edward H. Sargen教授是材料学和光子学邻域世界著名科学家,因其在可溶相处理的半导体太阳能电池和光探测器研究中所作出的杰出贡献,当选Fellow of the AAAS;因其在胶体量子点光电子器件研究中所作出的贡献,当选Fellow of the IEEE;因其在利用量子限域材料制备全光谱太阳能电池和超灵敏光探测器研究中所作出的贡献,当选加拿大工程院院士。Edward H. Sargen教授在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇,目前已获引用超过61894次(Google数据),其中有100篇论文的引用次数超过100次。

相关新闻

微信
微信
电话 QQ
返回顶部