1. 新型杂化钙钛矿太阳能电池
钙钛矿型太阳能电池 (perovskite solar cells)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。作为近年来光伏领域的新宠，其光电转化效率已从2008年的3.8% (Tsutomu Miyasaka et al.) 提升到2020年的25.2% (Huanping Zhou et al.). 杂化钙钛矿材料具有合适的直接带隙、极高的光吸收、小而平衡的电子和空穴的活性质量、高的缺陷容限、长的载流子寿命和扩散长度、小的激子结合能。这些优异的光电性能来源于钙钛矿材料独特的电子结构，这些性质成就了钙钛矿太阳能电池的高开路电压 (Voc) 和高效率 (PCE)。钙钛矿材料可由公式ABX3来描述，其中X是阴离子，通常为卤素离子；A和B是不同大小的阳离子，A通常为MA,FA,Cs，B通常为Pb, Sn。因此，钙钛矿材料具有可调控性，可以通过调整A位，B位或X位的离子种类和比例来进一步调控其光电性质，从而制备满足特性要求的钙钛矿太阳能电池。
目前，本课题组对于杂化钙钛矿太阳能电池的研究方向如下：
1）钙钛矿层缺陷钝化
迄今为止，所有高效的有机-无机卤化物钙钛矿 (OIHP) 太阳能电池都是由多晶钙钛矿薄膜制成的，这些薄膜含有高密度的缺陷，包括点缺陷和扩展缺陷。OIHP材料的缺陷在钙钛矿太阳能电池的电荷复合和离子迁移过程中起着重要作用，严重影响了器件的光电转换效率和稳定性。因此，钝化钙钛矿材料中的缺陷是制备高性能钙钛矿电池的有效方法之一。
2）电子传输层优化
钙钛矿太阳能电池的电子传输层通常需要满足以下要求：高的透光率以允许足够的光进入钙钛矿吸收层，能级与钙钛矿相匹配以获得高的开路电压，高电子迁移率以保证可有效地从钙钛矿中提取电子，以最小化界面上的电荷复合。目前，常规的钙钛矿太阳能电池（n-i-p型）的电子传输层通常基于TiO2或SnO2。我们在该方向的工作主要是基于平面钙钛矿太阳能电池，在SnO2的基础上做出进一步改进，如加入稀土元素等方法。
3）空穴传输层优化
对于空穴传输材料而言，其作用与电子传输材料相似，主要是传输钙钛矿产生的空穴，这要求其最高占有轨道能级（HOMO）能级要略高于钙钛矿价带能级 (VB)，以确保空穴能够顺利传输，且不会造成太大的电压损失。其次，还须保证其具备良好的空穴迁移率以及与钙钛层紧密接触，这样可以减小串联电阻和提高填充因子。目前大部分研究钙钛矿电池的团队仍旧使用spiro-OMeTAD分子作为空穴传输材料。但spiro-OMeTAD分子本身电导率和空穴迁移率较低，需要添加掺杂剂如4-叔丁基吡啶（t-BP）、双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂盐和钴络合物等来改善。但添加剂的使用也带来了一系列问题，如锂盐具有强的吸湿性，容易吸收空气中的水分子，使得钙钛矿材料分解，影响电池的稳定性。为了进一步提高钙钛电池的性能，本课题组致力于开发新型空穴传输材料，用于替代spiro-OMeTAD分子，目前已经开发出几种空穴传输材料，从不从程度上改善了电池性能。
4）其他优化
众所周知，以MAPbI3为代表的卤化铅钙钛矿可以有效地利用可见光。然而，波长在350nm以下和750nm以上的光子能量利用率很低，这限制了它的性能。因此，为了提高钙钛矿材料在所有可见光范围内的光吸收，我们采用了表面等离子体激元效应 (SPP) 来制备高性能的钙钛矿太阳能电池。SPP是存在于金属（如贵金属纳米粒子）和介电材料之间界面的电磁激励。在光照条件下，如果光子的频率与金属表面的自由电子振荡相协调，它们就会共振，提高电子振荡动能。弯曲金属表面局部电场的增强使极化率增大，散射截面增大。通过光的多次反射和散射，光的传播路径将得到扩展。引入SPP效应的其它优点包括，增加半导体的吸收截面，促进电子-空穴分离，形成肖特基结来抑制非辐射复合。
2. 钙钛矿基叠层太阳能电池
根据肖克利奎伊瑟极限 (Shockley–Queisser limit)，具有单带隙的吸收层的太阳能电池不能吸收能量小于其带隙的入射光子，也不能利用带隙之外的高能光子的额外能量。但具有两个或多个不同带隙的子电池的堆叠或串联而成的串联太阳能电池（Tandem solar cell, TSC）却可以突破单结太阳能电池的S-Q极限。在串联器件中，顶部电池的带隙最宽，每个后续电池的带隙都比前一个窄。因此，高能光子被顶部子电池吸收，而低能光子可能被具有较低带隙的后续电池透射和吸收。这个过程使我们能够最大程度地将光子能量转换为电能，从而大大提高了太阳光谱的利用率。自从2014年首次报道钙钛矿/晶硅叠层电池以来，钙钛矿基叠层太阳能电池的相关研究与日俱增。由于晶硅太阳能电池与CIGS太阳能电池在实验室与工业中已具备成熟的工艺，因此钙钛矿/晶硅与钙钛矿/CIGS叠层器件的相关报道较多，并且也已经实现了较高的光电转化效率。目前钙钛矿/晶硅叠层电池的最高效率为27.7% (澳大利亚国立大学Kylie Catchpole课题组,四端串联)，钙钛矿/CIGS叠层电池的最高效率为25.9% (美国国家可再生能源实验室Kai Zhu课题组，四端串联)。本课题组立足于实验室已有的成熟的单结钙钛矿太阳能电池制备工艺，与中科院北京电工所 (提供CIGS电池) 和 钧石能源有限公司 (提供晶硅电池)展开合作，将致力于开发高效的钙钛矿/CIGS与钙钛矿/晶硅叠层电池。
3. 双钙钛矿材料的合成及应用
近几年，有机无机杂化钙钛矿材料以其高的光吸收率、发光效率、载流子迁移率以及大的载流子扩散长度等优良特性被广泛关注。尽管基于有机无机杂化的钙钛矿材料在光电器件方面己经取得了较大的进展，但其铅毒性以及材料在空气环境下的不稳定性严重制约了其未来的商业化应用。为了克服这些障碍，研究者们希望能够找到一种稳定、无毒、且光电性能与有机无机杂化钙钛矿材料相当的替代品。卤化物双钙钛矿可描述为A2B+B3+X6（A=Cs+，MA+等，B+=Na+，K+，Ag+等，B3+=Bi3+，Sb3+，In3+，X=卤素阴离子），因其具有有序的三维钙钛矿结构和较好的稳定性，被认为是新的有希望的候选材料。到目前为止，最成功地制备出的双钙钛矿具有氯离子和较大的间接或奇偶禁止直接带隙，很难像铅基钙钛矿那样获得良好的光电或光致发光性能。幸运的是，卤化物双钙钛矿的电子能带结构和相关光电性质很容易通过化学改性任何晶格位置的置换。其中，由于元素选择的多样性，B+/B3+位点工程或外来金属离子掺杂是最常用的策略。不同金属离子的组合可以丰富其带隙、吸收和发射特性等光电特性。本课题组致力于无铅钙钛矿的制备及应用，包括Cs2NaBiCl6,Cs2AgBiBr6,Cs2AuAuI6等，根据其性质应用于太阳能电池、LED、光电探测器、催化材料等等。
4. 热电材料的合成及应用
热电材料（thermoelectric materials），是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。早在1823年塞贝克（Thomas J. Seebeck）就发现了材料两端的温差可以产生电压，也就是通常所说的温差电现象；1834年珀耳帖（Peltier）发现当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的连接处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。塞贝克效应（Seebeck effect）和珀耳帖效应（Peltier effect）为热能和电能之间的转换提供了理论依据。热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保材料。目前，热电材料在需长期工作而又不需要太多维修的设备中作为能源广泛使用，在军事、航空航天、医学、余热和废热利用等领域有巨大应用前景。一般来说，材料的热电性能通常由S（塞贝克系数）、T（绝对温度）、σ（电导率）、κ（导热系数）这几个参数定义的热电优值（ZT值，ZT=S2σT/κ）来衡量，因此如何提高热电材料的效率也就是获得更高的ZT值几乎是所有热电材料研究的目标。目前，本课题组对于热电材料的研究方向如下：
1）有机热电材料
有机半导体独特的电子结构与分子堆积特性赋予其丰富的物理化学性质，在电荷传输和能量转换器件中有广阔的应用前景。近年来，有机半导体的热电性质研究开始起步，关键性能指标不断攀升，逐渐发展成为有机电子学中重要的前沿研究方向之一。有机热电材料可以利用化学工具轻松地调整其精确地化学结构，还具有低成本、轻便、柔性，并且可以采用溶液加工等特点，使其具有巨大的潜在应用价值。以聚(3,4-二氧乙撑噻吩)（PEOOT）为代表的p型聚合物热电材料的研究早已取得了重大的进展，其热电性能可以媲美性能优异的无机热电材料。然而，有机热电器件中不可或缺的n型热电材料，其研究进展较为缓慢，热电性能普遍低于p型热电材料。如何通过n型分子结构的改进来提高热电性能是热电材料领域研究的关键。我们的工作致力于开发不同类型的n型有机热电材料，在此基础上通过掺杂等方式进一步优化热电性能。
2）无机热电材料
无机半导体材料因其良好的热电性能被广泛应用于能量转换器件如热电制冷器、热电产生器，于是便有了广泛的商业应用价值，如制冷器。根据不同的运作温度，有以下代表性材料：Bi2Te3、PbTe、SiGe等合金材料。除此之外，柔性无机半导体薄膜器件材料也在逐步发展。因Bi2Te3热电材料在室温下具有良好的热点特性，其热电优值ZT接近1。故我们目前采用相对廉价的沉积技术来制备Bi2Te3，并通过优化条件来获取成膜性好，热电转换效率较高的无机热电薄膜材料，由于其可以在n型和p型器件之间转化，我们通过不同手段来制备多种类型的热电材料，未将来解决无机热电材料稳定性差、材料利用率低等问题提供可能。
