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理学院材料模拟与设计团队李位博士等在国际顶级化学期刊《J. Am. Chem. Soc.》发表钙钛矿电池材料研究成果

时间:2018/11/05 15:37:00  来源:   作者:   点击:

(理学院 曹瑞 邓磊)近日,理学院材料模拟与设计团队在钙钛矿电池材料中卤素空位缺陷不同氧化态对非辐射电子空穴复合的影响机制方面的研究取得了突破性进展。其研究成果以“Control of Charge Recombination in Perovskites by Oxidation State of Halide Vacancy”为题,以Article形式发表于国际顶级化学期刊《美国化学会志》J. Am. Chem. Soc. 2018,DOI: 10.1021/jacs.8b08448,影响因子为14.357)。

 

随着能源危机的日益严峻,对清洁、无污染、取之不尽、用之不竭的太阳能的有效利用是当前的一项前沿课题。有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿电池因其低成本、高效率、较低的电子空穴复合比率、较长的载流子迁移长度以及较大的吸收横截面积等优势受到了广泛研究。目前基于杂化铅卤化物钙钛矿材料的太阳能电池光电转换效率最高已经达到了23.2%。钙钛矿电池虽然光电效率较高,但是对其中所发生的光物理过程的认识仍不够深入,这限制了其效率的进一步提升。非辐射电子空穴复合是钙钛矿电池中所发生的最主要的能量损失通道,最大程度的抑制非辐射复合过程是实验和理论工作者所关注的一项研究热点。

近期,理学院材料模拟与设计研究团队与美国南加州大学Oleg V. Prezhdo教授课题组开展合作,利用含时密度泛函理论结合非绝热动力学计算,对钙钛矿(CH3NH3PbI3)材料中碘空位缺陷不同氧化态对非辐射电子空穴复合的影响机制进行了详细探究。卤素空位缺陷是CH3NH3PbI3 中最普遍存在的缺陷类型。密度泛函理论计算表明,卤素空位缺陷不同氧化态很大程度上会影响带隙内陷阱态的形成。卤素阴离子空穴缺陷导致空位缺陷处带正电,金属阳离子Pb2+之间由于库伦排斥导致空位缺陷处Pb-Pb距离增大,带隙内不会形成陷阱态。而卤素阳离子空位导致空位缺陷处带负电,空位缺陷处Pb2+之间由于库伦吸引并相互作用形成Pb-Pb二聚体,导致带隙中形成深能级陷阱态;另一方面Pb-Pb二聚体的形成导致Pb空位缺陷的产生,相应的在价带顶附近位置也能观察到很浅的陷阱态。中性的卤素原子空位由于不会引入电荷态,Pb-Pb距离介于二者之间,同时也伴随着浅能级陷阱态的形成。此外,非绝热分子动力学模拟表明,卤素阴离子空位对载流子寿命影响较小,不会恶化钙钛矿电池器件的性能。中性的卤素因子空位加快电子空穴复合5倍左右,并且直接的电子空穴复合和陷阱态提供了等同的作用。卤素阳离子空位显著的加快电子空穴复合,大约两个数量级。浅能级和深能级陷阱态的同时存在使得空穴载流子避免直接与电子进行复合:先被俘获到浅能级陷阱态,再进一步被俘获到深能级陷阱态,最终与导带中电子进行复合,这也是卤素阳离子空位缺陷中电子空穴显著加快的根源。因此,通过调控钙钛矿材料的形成条件,控制体系的氧化态,避免中性和卤素阳离子空位缺陷的形成能很大程度上抑制非辐射复合损失通道,从而优化钙钛矿电池器件性能。

理学院青年英才一层次引进人才李位博士为该论文第一作者,汤剑锋教授和Oleg V. Prezhdo 教授为共同通讯作者,湖南农业大学理学院为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、湖南农业大学引进人才科研启动基金等项目的资助。  

    理学院材料模拟与设计研究团队现有固定成员:汤剑锋教授、邓磊副教授、王亮讲师、张兴明讲师、李位博士。其中硕士生导师4人,校青年英才一、二层次各1人,校优秀博士引进2人。主持国家自然科学基金项目3项,省自然科学基金项目4项,获学校自然科学奖一等奖1项。

此外,2018年研究团队以我校理学院为第一单位发表的SCI源刊论文如下:

[1]. Wei Li(李位), Yi-Yang Sun, Zhaohui Zhou, Linqiu Li, Jianfeng Tang, Oleg V. Prezhdo. Control of Charge Recombination in Perovskites by Oxidation State of Halide Vacancy. Journal of American Chemical Society, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08448. (Q1,IF=14.357)

[2]. Wei Li(李位), Jianfeng Tang, David Casanova, Oleg V. Prezhdo. Time-Domain Ab Initio Analysis Rationalizes the Unusual Temperature Dependence of Charge Carrier Relaxation in Lead Halide Perovskite. ACS Energy Letters, 2018, 3, 2713-2720. (Q1,IF=12.277)

[3]. Wei Li(李位), Liujiang Zhou, Oleg V. Prezhdo, Alexey V. Akimov. Spin–Orbit Interactions Greatly Accelerate Nonradiative Dynamics in Lead Halide Perovskites. ACS Energy Letters. 2018, 3, 2159-2166. (Q1,IF=12.277)

[4]. Wei Li(李位), Run Long, Zhufeng Hou, Jianfeng Tang, Oleg V. Prezhdo. Influence of Encapsulated Water on Luminescence Energy, Line Width, and Lifetime of Carbon Nanotubes: Time Domain Ab Initio Analysis. Journal of Physical Chemistry Letters. 2018, 9, 4006-4013. (Q1,IF=8.709)

[5]. Wei Li(李位), Teng-Fei Lu, Wen-Hui Ren, Lei Deng, Xingming Zhang, Liang Wang, Jianfeng Tang, Aleksey E. Kuznetsov. Influence of Exciton-Delocalizing Ligands on the Structural, Electronic, and Spectral Features of the Cd33S33 Quantum Dot: Insights from Computational Studies. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 8751-8761. (Q1,IF=5.976)

[6]. Jianfeng Tang(汤剑锋), Jiucheng Xiao, Lei Deng, Wei Li, Xingming Zhang, Liang Wang, Shifang Xiao, Huiqiu Deng, Wangyu Hu. Shock wave propagation, plasticity, and void collapse in open-cell nanoporous Ta. Physical Chemistry Chemical Physics, in press, DOI: 10.1039/C8CP05126G. (Q1)

[7]. Liang Wang(王亮), Xingming Zhang, Lei Deng, Jianfeng Tang, Shifang Xiao, Huiqiu Deng, Wangyu Hu. Surface premelting/recrystallization governing the collapse of open-cell nanoporous Cu via thermal annealing. Physical Chemistry Chemical Physics, 20 (23), 16184-16192. (Q1)

[8]. Lei Deng(邓磊), Xingming Zhang, Liang Wang, Jianfeng Tang, Zhixiao Liu, Shifang Xiao, Huiqiu Deng, Wangyu Hu. Local identification of chemical ordering: Extension, implementation, and application of the common neighbor analysis for binary systems. Computational Materials Science, 2018, 143, 195-205. (Q2)

[9]. Xingming Zhang(张兴明), Lei Deng, Liang Wang, Jianfeng Tang, Huiqiu Deng, Wangyu Hu. The effect of solutes on the precipitate/matrix interface properties in the Vanadium alloys: A first-principles study. Computational Materials Science, 2018, 153, 113-118. (Q2)

[10]. Xingming Zhang(张兴明), Yifan Li, Qiaoling He, Ruilian Li, Lei Deng, Liang Wang, Xunlin Liu, Jianfeng Tang, Huiqiu Deng, Wangyu Hu. Investigation of the interstitial oxygen behaviors in vanadium alloy: A first-principles study. Current Applied Physics, 18 (2), 183-190. (Q2)

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