近日，西北大學物理學院馮宏劍博士(陜西省百人計劃特聘專家)在國際化學類頂尖學術期刊《美國化學會志》(JACS影響因子:11.444)在線發(fā)表了題為“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)。該項研究工作由西北大學物理學院百人計劃特聘專家馮宏劍博士課題組和美國內布拉斯加大學-林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授課題組和Evgeny Tsymbal教授課題組合作完成。是世界上首次對CH3NH3SnxPb1-xI3體系的光學帶隙調控、結構預測和鈣鈦礦基異質結載流子分離輸運機理進行深入研究的開創(chuàng)性工作。

鈣鈦礦型有機-無機雜化材料是近兩年來備受關注的新型光伏材料，其光電轉換效率從最初的3.8%迅速提高到經過認證的19.3%，有望達到晶體硅電池的25%的水平。然而，獲得該效率的太陽能電池所采用的有機空穴傳輸材料(HTM)價格昂貴，無空穴傳輸材料鈣鈦礦電池為人們研制簡單、高效率、低成本的新結構提供思路，目前獲得了12.84%的光電轉換效率。但人們對CH3NH3PbI3基平面型異質結太陽能電池的光生載流子輸運機理尚不清楚，同時Pb具有一定毒性，需要考慮用Sn來替代。針對這一難題，馮宏劍博士課題組和美國內布拉斯加大學-林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授和Evgeny Tsymbal教授課題組合作采用含時密度泛函理論(TD-DFT)對CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2平面型異質結電池的相變、光吸收、載流子輸運機理進行了系統(tǒng)深入的長期研究，研究表明:CH3NH3SnxPb1-xI3在x≥0.5時為α相結構，在x＜0.5時為β相結構，Sn的引入有助于穩(wěn)定非畸變的α相結構和減小光學帶隙，理論結果和實驗符合的非常完美;電子被聚集在異質結的界面并在界面處形成了金屬態(tài)，完美的解釋了CH3NH3SnxPb1-xI3/TiO2平面型異質結太陽能電池的 TiO2一側為電子傳輸介質(ETM)，而CH3NH3SnxPb1-xI3起到了空穴傳輸層的作用(如圖1所示);CH3NH3PbI3相比于CH3NH3SnI3有更強的載流子分離率。同時CH3NH3PbI3體系的光吸收和鐵電極化相關聯(lián)，其相關研究成果被馮宏劍博士以獨立作者身份發(fā)表在《Journal of Power Sources》:J.Power Sources 291，58-65 2015(一區(qū)，影響因子:5.211)。

該項研究得到了國家自然科學基金、陜西省“百人計劃”高層次人才項目、陜西省自然科學基礎研究計劃項目、陜西省教育廳專項科研計劃項目的資助。