PHI CHINA南京实验室合作成果(一)

 近年来随着科学技术的飞速发展，先进的表面分析技术已经成为材料、能源、催化、微电子以及半导体产业等领域中开展表面特性研究所必需的实验技术。X射线光电子能谱仪(XPS)作为表面分析领域重要的大型科学仪器，可以提供表面组分和化学态信息，广泛应用于科学研究和高科技产业等领域，对解决复杂问题具有重要的作用。

       钛矿材料自身具有直接带隙、双极性传输、高吸光系数、低激子结合能、长载流子扩散距离和可溶液加工等特点，近年来取得了突飞猛进的发展。然而，钙钛矿材料光照、电场、温度、水氧等条件下非常容易降解，严重阻碍了钙钛矿太阳能电池的进一步商业化。相比于传统的三维(3D)卤化物钙钛矿太阳能电池材料相比，二维Ruddlesden–Popper(2DRP)层状钙钛矿因其提高的耐湿性、优异光稳定性和热稳定性、超低的自掺杂行为和显著降低的离子迁移效应而大大增强了钙钛矿的光稳定性和热稳定性。2DRP层状钙钛矿稳定性来源于表面有机胺分子的保护作用、低维下钙钛矿容忍因子的有效调控以及由有机胺分子间弱的范德华力和氢键作用主导的层间相互作用。但氢键和范德华力作用力较弱，层状钙钛矿骨架稳定性提升受限，同时，弱相互作用限制了2DRP层状钙钛矿的自组装以及跨层间的电荷传输，从而影响钙钛矿活性层的薄膜质量及光生载流子的分离与传输特性。

       针对这一科学难题，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士、南京工业大学先进材料研究院陈永华教授和吉林大学集成光电子国家重点实验室/材料学院张立军教授，合作报道了一种高效稳定层状钙钛矿太阳能电池。通过创新性地引入一种含S原子的有机胺，通过S元素之间的相互作用实现层间相互作用有效调控，有效的增强了层间电荷传输并且进一步稳定了层状钙钛矿骨架，制备出了效率高达18.06％(认证效率17.6)的高性能2DRP层状钙钛矿太阳能电池。同时，增强的层间分子相互作用大大改善了2DRP钙钛矿薄膜的湿、热稳定性和器件稳定性，器件在最大功率输出点持续标准太阳光下光照1000小时，效率衰减不到15%。相关成果以题为“Efficient and stable Ruddlesden–Popper perovskite solar cell with tailored interlayer molecular interaction” 发表在Nature Photonic《自然·光子学》(Nature Photonics14,  154(2020).DOI:10.1038/s41566-019-0572-6)。

       层间相互作用机制是本研究工作的重点之一。PHI CHINA实验室的鞠焕鑫博士非常荣幸参与到本项研究工作中，通过高分辨的PHI XPS测试了S 2p、C 1s、N 1s、I 3d和Pb 4f的XPS谱图，研究结果表明了S元素之间的相互，为探究2DRP层状钙钛矿薄膜结晶动力学、稳定性、以及电荷传输特性的影响规律的研究提供了有利数据支撑。

PHI CHINA南京实验室介绍

       PHI CHINA南京实验室于2018年12月份成立，为PHI CHINA 团队及用户提供技术支持，通过合作方式推进先进表面分析技术在科学研究和高科技产业等领域中的应用。目前，PHI CHINA实验室的XPS系统集成了多项表面分析技术(XPS-UPS-IPES-GCIB)：独具特色的扫描聚焦型XPS可以提供高表面灵敏(<10 nm)和高空间分辨(<10 um)的化学态解析能力；通过与UPS和IPES相结合，可以实现对半导体材料的芯能级、价带和导带电子结构信息的全面探测；通过结合氩离子和团簇离子源(GCIB)，可以实现对无机/有机多层膜结构材料进行深度剖析；

       鞠焕鑫博士，曾任中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员，主要从事软X射线谱学方法学研究以及能源材料/器件界面电子性质研究。2018年11月，加入PHI (China) Limited 高德英特(北京)科技有限公司，担任应用科学家，负责 PHI CHINA南京表面分析实验室的创建以及运行管理。在学术研究方面与用户合作在Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Energy, Nature communication，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed, Adv. Mater等期刊发表学术论文80余篇。