【科技自立自强】西安交大科研团队在钙钛矿光伏和二氧化碳转换方面取得系列进展
的催化转化是实现双碳目标的重要方法。钙钛矿太阳能电池由于具有廉价高效的优势，成为近些年的研究热点，被视为最有前景的第三代光伏技术之一。此外，为了进一步利用光伏发电技术，可以将其与电催化结合起来，以此来实现光-电-化学能的高效转换利用。然而钙钛矿太阳能电池的稳定性成为制约其产业化的重要问题。此外，在与光伏集成的CO的催化转化过程中，如何获得高选择性的多碳产物，也对催化剂的设计提出了更加高的要求。基于此，西安交通大学物理学院先进功能材料与器件物理团队分别从钙钛矿薄膜的梯度掺杂和维度调控角度入手，在保证钙钛矿光伏高效的前提下，逐步提升其稳定性。并且提出应力调控Cu催化剂表面的高效催化转化。这一系列研究先后在《科学通报》（Science Bulletin）发表学术论文3篇，在《先进材料》（Advanced Materials）和《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）发表学术论文各1篇。
钙钛矿太阳能电池作为未来光伏市场的有力候选者，目前仍然面临着在空间尺度上难以实现均匀的薄膜生长、界面能量失配以及光生载流子在远距离扩散输运的挑战。在空间效应方面，混合卤化物钙钛矿能够最终靠元素取代或掺杂来定制相应材料的理化性质，从而获得高效稳定的器件。因此，设计一种简单实用的策略来实现在空间上均质的钙钛矿薄膜，以规避传统溶液处理方法带来的固有影响是解决该难题的关键。
梁超特聘研究员带领课题组从使用小有机分子诱导A位Cs的面外阳离子均匀性和钙钛矿体相中的卤化物的成分均匀性中获得灵感。设计利用与Pb具有相同的4s2电子构型，较小的离子半径且在极性溶剂DMF/DMSO中难溶的Ge（GeI2），实现钙钛矿薄膜内部垂直方向的B位梯度掺杂，通过钙钛矿本体的原位重构来诱导生成均质化钙钛矿薄膜。该策略为在空间尺度上保持固有能带对准和开发高度可重复的钙钛矿太阳能电池提供了新的途径。
GeI2作为一种诱导均质薄膜的原位重构添加剂，通过提供空间分布上的梯度掺杂使其优先聚集在钙钛矿薄膜的埋底界面上，显著抑制了钙钛矿薄膜的深能级缺陷，释放局部晶格应变，同时最大限度地减少了非辐射复合损失，提升了载流子寿命（超过9 µs）。这种空间尺度上的梯度掺杂有助于将钙钛矿薄膜埋底界面处的能带调整为理想的扁平结构，从而有效地抑制钙钛矿薄膜内载流子的能量损失，并增强载流子的平衡提取能力。优化后的冠军器件获得了25.24%的光电转换效率，填充因子高达84.65%，同时未封装的器件也表现出优异的光照稳定性和湿度稳定性。
研究成果近期发表在《科学通报》（Science Bulletin）上，西安交通大学物理学院为第一单位，第一作者为物理学院博士生杨文涵、博士生林越辛和南京邮电大学助理教授夏俊民。梁超特聘研究员为论文唯一通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、物质非平衡合成与调控教育部重点实验室、陕西数理基础科学研究项目和中央高校基本科研业务费等项目的资助，涉及到的表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心的支持。
甲脒铅碘化物(FAPbI3)结构的稳定对于高效光伏器件的开发至关重要。采用二维(2D)层钝化三维(3D)钙钛矿对于维持α-FAPbI3相并提高钙钛矿太阳能电池(PSC)的功率转换效率(PCE)至关重要。然而，大分子配体在2D钙钛矿相管理中的作用尚未阐明，而这对α-FAPbI3的稳定至关重要。在本研究中研究团队合成了纳米级2D钙钛矿覆盖壳，其中分别具有n = 1和2的Ruddlesden-Popper (RP)钙钛矿层，它们形成Ⅱ型2D/3D异质结构。这种异质结构稳定了FAPbI3的α相，并促进了从3D钙钛矿网络到传输接触层的超快速载流子提取。研究团队引入了三氟化配体来减轻卤化物空位和未配位的Pb2+离子引起的缺陷，由此减少了非辐射载流子复合并延长了载流子寿命。制备的薄膜被纳入PSC中，不仅实现了25.39%的PCE，而且在2000小时连续光照后仍能保持其初始效率的95%。这些发现强调了纯相2D/3D异质结构端接薄膜在抑制相变、钝化碘化物阴离子空位缺陷、促进电荷载流子提取和提高光电器件性能方面的有效性。
研究团队使用不相同碳链长度的4-三氟甲基苯基碘化胺盐，分别原位制备了具有n = 1和2的RP钙钛矿层与3D钙钛矿层形成异质结构。这种疏水的2D钙钛矿层稳定了3D钙钛矿的晶体结构，促进了载流子的提取，钝化了表界面存在的缺陷，最终提升了器件的整体性能。经过DFT计算和相应的XPS测试得知，有机配体中的F、N原子与钙钛矿表面的Pb2+离子形成强有力的相互作用，使得钝化效应和电荷转移能力获得增强。研究之后发现，不同n值的2D钙钛矿与3D钙钛矿形成的异质结在能带匹配上略有不同，大n值的二维钙钛矿倾向于形成更加有助于电荷转移的II型能带匹配关系，这为同时提升钙钛矿太阳能电池效率和稳定能力奠定基础。
研究成果近期发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。澳门大学和西安交通大学物理学院为合作通讯单位，澳门大学应用物理与材料工程研究院邢贵川教授与西安交通大学物理学院梁超特聘研究员为论文共同通讯作者。杨涛特聘研究员和张楠特聘研究员分别为该工作提供了理论计算方面和超快载流子动力学表征方面的支持。以上研究得到了国家自然科学基金、物质非平衡合成与调控教育部重点实验室、陕西数理基础科学研究项目和中央高校基本科研业务费等项目的资助。
为了逐步提升钙钛矿太阳能电池的性能，基于两端钙钛矿的串联叠层太阳能电池引起了人们对突破单结太阳能电池Shockley-Queisser(S-Q)极限的兴趣，该技术通过结合两个具有不一样带隙的子电池实现。然而，基于两端钙钛矿的叠层太阳能电池的最高认证效率(33.9%)落后于理论极限(42-43%)。限制基于两端钙钛矿的串联叠层太阳能电池发展的一个重要挑战是两个子电池之间的透明复合层/互连层(RL)的设计。为了更好的提高基于两端钙钛矿的串联叠层太阳能电池的性能，RL需要同时满足光损耗、接触电阻、载流子迁移率、应力管理和保形覆盖要求。
鉴于此，西安交通大学物理学院先进功能材料与器件物理团队发表了高效两端钙钛矿基串联叠层太阳能电池的复合层设计及合理表征的综述，介绍了基于两端钙钛矿的串联叠层太阳能电池中RL的定义、功能和要求。还重点介绍了适用于RL的富有洞察力的表征方法，这一些方法对进一步研究两端钙钛矿基双结和多结串联叠层太阳能电池中的RL具有启发意义。最后，总结了目前限制RL性能提升的重要的条件以及未来应持续关注的方向。
研究成果近期发表于《先进材料》（Advanced Materials）。物理学院博士生林越辛、博士生杨文涵和澳门大学博士生顾浩为共同第一作者，物理学院杨生春教授、梁超特聘研究员、南京邮电大学夏俊民助理教授、河南省科学院王海斌教授和武汉大学方国家教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、物质非平衡合成与调控教育部重点实验室、陕西数理基础科学研究项目和中央高校基本科研业务费等项目的资助，涉及到的表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心的支持。
电催化CO2还原反应在碳循环中扮演重要角色，通过形成化学键实现能量存储。Cu基催化剂由于其适中的*CO吸附能力，能有效促进C-C偶联反应，因此被广泛选择用于生成多碳产物。然而，在安培级电流密度下，催化剂表面过量的*H静电吸附导致不可控的析氢竞争，限制了将CO2还原为多碳产物的效率。
先前的研究表明，调控催化剂的局域微环境，尤其是引入疏水环境，对安培级电流密度下的氢吸附有显著抑制作用。例如，通过引入疏水基PTFE高分子聚合物或者修饰长链烷烃基配体分子等策略，可以有效实现高效的憎水效果。然而，高分子的导电性和配体修饰可能会明显影响催化剂中的电荷传递，同时掩盖大量催化活性位点，从而严重降低催化效率。因此，在优化催化剂结构的同时，如何精确调控安培级电流密度下的重要反应中间体（例如*H2O的覆盖度），以在安培级电流密度条件下有效抑制析氢反应并促进C-C偶联，依旧具有挑战性。
针对以上问题，先进功能材料与器件物理团队孔春才副教授等提出应力调控Cu催化剂表面*H2O覆盖度促进电催化CO2还原多碳产物。通过电还原三种不同氧化处理的CuO前驱体（双氧水氧化得到HP-CuxO、高温快速氧化得到HT-CuxO和室温缓慢氧化得到NT-CuxO），合成了三种具有不一样应力的Cu基催化剂（HP-Cu、HT-Cu、NT-Cu）。通过对还原后结构精细的表征发现，HP-Cu具有非常明显的压缩应力（约4.8%），而HT-Cu和NT-Cu则表现出1.44%和2.88%的拉伸应力。HP-Cu在flow-cell装置中实现了1000 mA/cm²的电流密度，多碳产物的选择性超过80%；在MEA电解槽中实现了550 mA/cm²的电流密度，多碳产物的选择性超过70%，显著优于HT-Cu和NT-Cu。
原位实验和理论计模拟和计算表明，应力变化对C-C偶联的能垒并没有显著的影响，而是极大影响催化剂表面K·H2O的分布。进一步采用FEM模拟显示，适度的降低催化剂表面*H2O的覆盖度可以有明显效果地的加快C-C偶联反应速率。该研究为应力工程优化催化剂表面中间体覆盖度提供了新的见解。
研究成果近期发表在《科学通报》（Science Bulletin）上，西安交通大学物理学院为第一单位，第一作者为西安交通大学物理学院范期奎助理教授、博士生鄢鹏旭和材料学院刘福柱副教授。西安交通大学物理学院孔春才和安徽师范大学杨健为论文共同通讯作者。相关工作得到了杨志懋教授、材料学院丁向东教授和中科大吴宇恩教授的指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、物质非平衡合成与调控教育部重点实验室、陕西数理基础科学研究项目和中央高校基本科研业务费等项目的资助，涉及到的表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心贺丹和马传生的支持。
氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）在各种可再次生产的能源转换和存储系统中至关重要，包括金属-空气电池和再生燃料电池。然而，由于ORR和OER过程的缓慢动力学，这些可持续电化学装置的实际效率受到重大挑战。因此，开发高效的双功能电催化剂以同时加速ORR和OER的动力学是至关重要的。
金属-氮-碳(M-N-C)材料具备高导电性和独特的电子结构，在ORR和OER中具备优秀能力的活性而成为Pt基和Ru基电催化剂的有希望的替代品。大量的实验数据和理论计算表明，保持金属中心和反应中间体之间平衡的吸附亲和力将会产生优异的活性。因此，需要对M-N4中金属中心的电子结构和配位环境进行微调，以有效调节其吸附亲和力。目前，结合氮以外的杂原子(例如O, S, P, B和F)，将单原子催化剂改性为双原子催化剂，或者利用单原子与金属纳米颗粒或团簇之间的电子相互作用等策略已被证明能大大的提升M-N-C的内在ORR活性。然而同时提高活性和稳定能力依然是金属单原子基催化剂发展的关键和挑战。
针对以上问题，先进功能材料与器件物理团队杨生春教授等人通过结合后吸附和二次热解技术来创建一个单原子Fe位点与高熵原子团簇(HEACs)耦合协同催化系统。理论计算表明，HEACs的加入导致了Fe-N4的三维轨道构型的再杂化，这有助于平衡含氧中间体的吸附/解吸能。原位光谱进一步表明，在ORR中HEAC/Fe-NC的OH*解吸比原子Fe-NC更容易，表明ORR活性更高。此外，扩散激活势垒和构型熵的协同作用有助于HEAC/Fe-NC的结构稳定性，从而获得显著的耐久性。因此，这种独特的催化剂在0.1 M KOH和0.1 M HClO4水溶液中分别表现出0.927和0.828 V的半波电位，并且具备优秀能力的耐久性。我们的发现提出了一种新的策略来调节金属单原子催化剂的电子结构，并通过单原子和HEACs之间的强相互作用来提高它们的稳定性。研究成果近期发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
西安交通大学物理学院为第一单位，第一作者为西安交通大学物理学院博士生杨鸽鸽和蔡海蕊助理教授。西安交通大学物理学院杨生春教授和杨志懋教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、物质非平衡合成与调控教育部重点实验室、陕西数理基础科学研究项目和中央高校基本科研业务费等项目的资助，涉及到的表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心刘佳和李超的支持。
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