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背景介紹

在過去的十幾年中,利用太陽能發電的太陽能光伏裝置引起了廣泛的關注,鈣鈦礦基光電探測器因其優異的光電性能而在光伏發電領域脫穎而出。由於鈣鈦礦光伏器件獨特的層狀結構,對鈣鈦礦層的優化是研究中極為重要的一部分。影響鈣鈦礦層性能的重要因素是鈣鈦礦晶粒間的晶界,晶界的存在影響鈣鈦礦型光電探測器的效率和穩定性。添加劑工程是實現晶界鈍化的有效途徑。

成果簡介

近日,東北師範大學多酸與網格材料化學教育部重點實驗室陳維林教授課題組通過將缺位型多酸K8[α-SiW11O39]·H2O ({SiW11})封裝在有機金屬框架(ZIF-8)中製備了多酸基金屬有機框架材料SiW11@ZIF-8。將其作為添加劑對鈣鈦礦層進行修飾,{SiW11}不僅可調節鈣鈦礦層和電子傳輸層之間能級,而且由其形成的多酸複合材料與鈣鈦礦之間形成的氫鍵可有效鈍化鈣鈦礦層的晶界。

圖文導讀

圖1. SiW11@ZIF-8和鈣鈦礦光電探測器的製備流程示意圖
SiW11分布在八面體結構ZIF-8的孔內。製造鈣鈦礦光電探測器時鈣鈦礦通過旋轉滴塗在TiO2層上。通過裝置的橫截面結構示意圖和掃描電子顯微鏡顯示,中間FTO襯底上的刻痕約為150 nm(圖1)。

圖2.鈣鈦礦層的結構示意圖以及光電探測器的能級示意圖
研究結果表明,SiW11@ZIF-8通過氫鍵作用有效地鈍化了鈣鈦礦層的晶界。同時通過測試和公式計算得到SiW11@ZIF-8的能級位於−4.102~−9.252 eV,是{SiW11}、ZIF-8和SiW11@ZIF-8這三種材料中與TiO2層和鈣鈦礦層的能級最匹配的一種(圖2)。

圖3. ZIF-8和SiW11@ZIF-8的XPS譜圖
用X射線光電子能譜(XPS)分析了摻雜{SiW11}前後ZIF-8的化學成分變化和電子結構的輕微改變。研究結果表明,C 1s中兩個峰和N 1s中兩個峰的峰位均發生了輕微的位移,這種向較高能量的峰位移動表明{SiW11}和ZIF-8之間存在靜電相互作用,也證明了{SiW11}是通過靜電作用加載到ZIF-8的孔道內。

圖4.鈣鈦礦光電探測器的性能示意圖
SiW11@ZIF-8摻雜的光電探測器光電流達到41.95 μA,與空白器件的光電流(14.41 μA)相比,光電流數值提高了兩倍。摻雜光電探測器的最大光電流值從10%上升到90%的時間與空白光電探測器相比明顯更短,更短的響應時間證明添加SiW11@ZIF-8可以減少光電探測器中電子-空穴對的複合。

作者簡介

陳維林,東北師範大學化學學院教授,博士生導師,多酸與網格材料化學教育部重點實驗室副主任,Polyoxometalates期刊青年編委。目前在多酸化學領域已發表通訊作者SCI論文70餘篇,代表性論文包括Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem., Int. Ed.、Nano Energy、Appl. Catal. B-Environ.、Sci. Bull.等, 其中Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 260為ESI高被引論文。主持多項國家自然科學基金面上項目、青年基金和吉林省科技廳項目等。長期從事多酸化學的教學和科研工作,2013年主編《多酸化學》,科學出版社出版,已成為多所重點大學研究生教材。《多酸化學》獲得2014年吉林省自然科學學術成果獎三等獎。2021年主持全球大型學分課程運營服務平台「智慧樹」和中國大學MOOC_國家精品課程在線學習平台的《多酸化學》線上課程,是國內首個多酸化學線上課程,該課程網址為:https://coursehome.zhihuishu.com/courseHome/1000002696#teachTeam

https://www.icourse163.org/course/NENU-1466033161?from=searchPage&outVendor=zw_mooc_pcssjg_


文章信息

S. Duan, X. Xu, W. Chen, et al. Grain boundaries passivation of high efficiency and stable perovskite photodetector by polyoxometalate-based composite SiW11@ZIF-8. Polyoxometalates. 2022, 1: 9140003. https://doi.org/10.26599/POM.2022.9140003.

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期刊簡介

Polyoxometalates(《多金屬氧簇(英文)》,ISSN 2957-9821)於2022年創刊,是清華大學主辦,清華大學魏永革教授擔任主編的國際首個多金屬氧簇領域跨學科學術期刊,旨在傳播多金屬氧簇領域前沿基礎研究和創新性應用研究最新進展,致力於為國內外多金屬氧簇領域的學者搭建一流的國際學術交流平台,促進多金屬氧簇領域學術交流和發展。Polyoxometalates發表內容涵蓋多金屬氧簇領域各方面的原創研究和綜述論文,包括合成、組裝、理論計算,基於多金屬氧簇的超分子、分子器件及其它功能材料,以及多金屬氧簇在催化、能源、環境、生物學和醫學中的應用等。

歡迎各位老師踴躍投稿。

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pom@tup.tsinghua.edu.cn

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https://www.sciopen.com/journal/2957-9821


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