主要研究方向：
新型ITO替代材料与技术；钙钛矿半导体及集成（太阳能电池、X光探测与成像、光充储一体化）；热界面材料及封装；光热电能量转换与输运机制；Al+材料设计；柔性电子材料与器件；中试产业化。
1. 新型透明导电电极及其产业化
项目申请团队从2014年开始新型透明导电电极及其产业化研究，基于自主研发的“龟裂光刻法”等方法，制备出“局部无序、整体均匀”的分形网络结构柔性透明电极，缓解了传统商业ITO电极依赖稀有铟金属和难以满足柔性器件发展的难题，并实现了分形网络结构电极的宏量印刷制备，初步验证了该新型透明电极在智能触控、太阳电池等器件中的应用前景（图1）。
(1) 创新性提出并实现分形网络透明导电电极。申请人创新性将自然叶脉结构引入透明导电电极，这种分形结构电极由于高效输运性能显著提高电极的光电性能(T～90%，Rs～2.5 Ohm/sq)。基于此类电极的太阳能电池与柔性触摸显示等原型器件已经初步展示出良好的光电性能与机械柔性。申请人也开展蛛丝网络仿生电极的制备，实现了可拉伸透明金属网络电极(拉伸100%，表面电阻变化<15%；拉伸1000次，电阻变化<5%)。基于以上工作，项目申请人在Nat. Commun.上发表两篇原创研究文章。首次报道和分析了基于叶脉分形网络的透明导电电极，从理论与实验两方面论证了叶脉分形网络具有天然最优的光学性能和载流子输运性能。同时，这种网络结构还天然赋予这种电极以惊人的抗弯曲特性，实现了可见光透光率、导电性及其机械柔性的协同提升。基于此分形结构，项目申请人以金属化的叶脉网络作为分形结构集流体，成功研制出高性能的柔性透明超级电容器。金属化的仿生叶脉分形电极不仅可以提供优异的光学透过率，同时其组装的电容器器件还表现出了优异的电荷输运、存储和机械柔性 (Nat. Commun., 2014, 5, 567401; Nat. Commun., 2016, 7, 12825; Adv. Funct. Mater., 2019, 1906618; Adv. Phys. 2016, 65, 553; Adv. Funct. Mater. 2018, 1705023) 。
图1 微纳金属网络透明导电电极及其应用进展
(2) 首创龟裂光刻法制备金属网络透明导电电极及其大面积工艺。传统金属网络透明电极主要采用光刻、纳米压印等方法制备，但光刻或者压印成本高，难以实现大面积低成本制备；此外，规则金属网络引起的光学摩尔纹严重影响柔性显示器件的视觉效果。基于以上问题，项目组从自然龟裂获得灵感，首次采用低成本、绿色模板材料，结合金属沉积工艺，成功制备了高性能微纳金属网络透明电极。该网络结构电极具有局部无序、整体均匀的结构特征，有效消除了常规有序金属网络带来的摩尔纹效应。通过龟裂材料成分、龟裂条件调控可实现龟裂裂纹宽度（金属线宽）在4微米左右。通过材料、外场（温度、湿度）等条件的调控，可有效改变龟裂尺度大小，从而调控金属网络电极的可见光透过率、导电性及其机械柔性：金属线宽0.5~5微米、网络周期20~100微米、透光度75~95%、表面电阻1~20 Ω/sq。为了实现该技术的产业化，项目组自主开发了具有完全知识产权的卷对卷中试设备和印刷工艺，实现了金属网络电极技术全湿法卷对卷中试制造。该工作从技术原理、中试设备和工艺都具备完全自主知识产权，目前已经完成宽幅 1020 mm金属网络电极卷材中试生产。宽幅电极光电性能：透光性85~95%，表面电阻0.5~10 Ω/sq；机械柔性：在弯曲半径为5 mm时，1000次不间断弯曲，电阻变化<5%。该中试产品已经通过专业机构中国电子五所检测认证。相关中试产品已经获得视源电子等相关企业采纳使用，有望规模量产 (Adv. Mater., 2014, 26, 873；Laser Photonics Rev., 2016, 3, 465; Adv. Mater. Technol., 2016, 1, 1600095; Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700061；ACS nano, 2023, 17, 24763)。
2. 钙钛矿太阳能电池效率、稳定性及其印刷制备
图2 团队在钙钛矿太阳能电池部分进展
(1) 内封装策略提高钙钛矿光伏器件湿度稳定性。由于钙钛矿材料的离子性质，湿度稳定性差。申请人团队提出了一种基于原位交联聚合物的内部封装层，该层具有匹配的能级、良好的电导率和空穴迁移率及其较好的阻铅能力。由于其与Spiro-OMeTAD的兼容性和高空穴迁移率，基于Spiro-NPU的钙钛矿光伏器件性能提升显著，在刚性衬底上为23.26%，在柔性衬底上为20.37%。Spiro-NPU内封装材料显著提高了钙钛矿薄膜和器件的水分和热稳定性。采用Spiro-NPU保护的钙钛矿膜具有超过15分钟的耐水性，在空气（60% RH, 25 ℃）中老化3000小时以上，仍能保留近100%的效率。该工作为实现稳定、高效和安全的钙钛矿太阳能电池铺平了道路（Energy Environ. Sci., 2022,15, 3891）（图2a）。
(2) 冠醚分子提高钙钛矿前驱液稳定性。本工作提出了一种稳定性策略，即在钙钛矿前驱体溶液中引入冠醚分子。通过18C6处理后的钙钛矿前驱液稳定性提升（稳定保存一个月）；与此同时18C6小分子的存在对钙钛矿晶体表面的缺陷具有明显的钝化效果，显著提高了电池的开路电压和填充因子，实现了20.73％的光电转换效率。通过密度泛函理论计算来验证18C6在钙钛矿前驱体和薄膜中的作用。从实验和理论计算的结果发现，前驱液稳定性的增强和缺陷钝化效应与18C6和阳离子的相互作用有关，并进一步指出18C6/Pb复合物的存在对抑制PbI2的快速结晶和非钙钛矿δ-FAPbI3相的形成和降低缺陷态密度（例如不饱和Pb和I空位）起着重要作用（Adv. Funct. Mater., 2020, 1908613）（图2b）。
(3) 溶剂辅助低温合成氧化锡电子传输层用于高效平面太阳能电池。电子传输层对高效率的太阳能电池器件来说必不可少，其中使用最广泛的电子传输层为TiO2 和SnO2。而TiO2电子传输层制备工艺通常大于450℃，SnO2的制备工艺通常大于150℃，该高温条件限制了塑料柔性基底（通常耐温<130℃）的钙钛矿太阳能电池的发展。课题组首次将溶液加工SnO2电子传输层的制备温度降低至120℃，这使得SnO2能够顺利的应用在柔性塑料钙钛矿器件上。该低温制备的氧化锡应用于钙钛矿太阳能器件中，最高效率高达20.52%，柔性衬底效率高达18% (Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1900557) 。课题组通过改变反应性醇的种类，制备了更低温度下(50 ℃)，高结晶性、低缺陷的氧化钨(WOx)电子传输层，并应用于钙钛矿太阳能电池，将光电转换效率从14%提高到20% (Solar RRL, 2020, 4, 1900499) （图2c）。
(4) 柔性钙钛矿器件自修复。项目申请团队合成出基于β-环糊精为主体，金刚烷为客体以及含有胍基的丙烯酸酯的三种单体分子，并将其应用于FAMACs三元阳离子型PSCs制备中。初步研究结果表明这三种单体分子原位聚合形成的聚合物与钙钛矿晶粒间具有很强粘附力，且主要分布在钙钛矿晶界处。薄膜晶界处产生的裂纹能够在撤去外力时，通过主客体基团间的非共价键力自动修复，从而恢复至初始状态，提升柔性PSCs的机械稳定性。（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 22445）（图2d）。
(5) 机器学习助力高性能电子输运层的设计和开发。本研究从2013年至2020年公开发表的880篇论文中提取2006个实验数据点，采用两步机器学习法系统研究各个参数对钙钛矿电池器件光电转化效率的影响因子。研究发现利用SnO2和TiO2制备的ETL、混合阳离子钙钛矿、DMSO和DMF钙钛矿前驱体溶剂以及反溶剂处理是导致电池具备高效率特点的最重要因素。此外，计算预测ETL为Cs掺杂的TiO2 且吸光层为FA-MA二元体系的PSC，及ETL为S掺杂的SnO2且吸光层为Cs-FA-MA三元体系的PSC的PCE分别高达30.47%和28.54%。该系统数据和量化的解释可为高效钙钛矿太阳能电池的研究，特别是高性能电子输运层的设计和开发提供重要的理论指导。（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 44, 25168）（图2e）。
(6) 钙钛矿界面材料提高器件效率与稳定性研究。 钙钛矿与P3HT界面分子桥。由于Spiro-OMeTAD的本征空穴传输效率低、制备成本高、且需掺杂强吸水性盐，对电池长期稳定性构成了重要威胁。申请人创造性提出在钙钛矿/P3HT界面利用构建分子桥的方式，“变堵为疏”，在不改变P3HT堆积方式的前提下，在钙钛矿与P3HT界面架起供一座载流子传输的分子桥(MDN)（图3a-c）。在分子桥内，一方面，利用分子内的丙二腈基团与钙钛矿表面形成强的分子间作用，同时钝化表面缺陷，另一方面，分子桥内的三苯胺基团与P3HT链段形成p-p相互作用，从而稳固分子桥的两端，构建载流子传输通道。采用此方法获得的基于P3HT空穴传输层的钙钛矿太阳电池，光电转换效率达到22.87%，且无封装器件在大气环境中、梯度湿度下(75%RH下保存60天后提升湿度至85%，再保存30天，25oC)储存2100小时后，效率仍可保持92%；在1个太阳下(45 oC，氮气氛围下)、最大功率处持续工作500小时后，电池效率无衰减。该工作从理论角度为钙钛矿器件中分子桥的设计提供了重要的理论依据，为制备高效、稳定且价格低廉的钙钛矿太阳电池及其产业化提供了一种重要的思路。（Nat. Commun. 2022, 13, 7020）。
图3 (a) 钙钛矿/P3HT器件结构；(b) 分子桥“变堵为疏”示意图；(c) 钙钛矿/P3HT器件效率；(d) BEDCE 分子结构；(e) 界面材料器件结构；(f) 器件J-V性能
(7) 新型空穴输运材料设计及其钙钛矿器件优化。Sprio-OMeTAD的强结晶问题抑制了太阳能电池器件效率。针对这一问题，申请人设计了一系列新型空穴输运层材料（图3d-f）。设计并制备了可溶液加工的吲哚并咔唑衍生物BEDCE。该小分子具有优异的空穴迁移率(4.35×10-4 cm2·V−1·s−1，优于Sprio-OMeTAD)和合适的能级结构。具有高溶解性和两亲性质的BEDCE能与随后旋涂的Spiro-OMeTAD形成复合空穴传输层，改善了Spiro-OMeTAD的成膜性和Perovskite/ Spiro-OMeTAD的接触界面，从而提高了电池的填充因子和光电转换效率，使得钙钛矿太阳能电池器件效率从17.20％提高到19.02％。申请人在F取代空穴输运层材料设计和合成方面也取得了较好进展。合成了非掺杂F取代二氮杂噻吩共聚物空穴传输材料，钙钛矿光电转化效率达18%左右；并合成了F取代咔唑类小分子，作为器件界面材料，显著提高了器件填充因子(75%-80%) (J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 1539；J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 16527; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1858) 。
图4 钙钛矿材料/界面分子桥作用机理图
(8) 钙钛矿缺陷钝化及其输运机理研究。钙钛矿薄膜的表面缺陷对载流子的捕获作用，严重影响了钙钛矿太阳能电池的开路电压及填充因子，进而对光电转换效率产生重要影响。前述已经证明，界面材料及添加剂的引入对缺陷钝化可以起到积极的作用，但通过理论研究进一步理解其缺陷钝化的机理，对设计新型载流子输运材料具有重要意义。申请人通过理论计算，发现分子桥中的二氰基乙烯基可以填补钙钛矿表面的碘空位，起到抑制缺陷的作用；而分子桥中的三苯胺基团可以和上层空穴传输层P3HT中的噻吩链段形成p-p共轭作用（图4）。由此，分子桥不仅钝化了钙钛矿表面的缺陷，也构建了载流子传输的共轭通道。（Nat. Commun. 2022, 13, 7020）。
(9) 柔性钙钛矿器件印刷工艺研究。柔性器件是钙钛矿太阳能电池器件的重要发展方向。大面积印刷工艺、绿色溶剂及其反溶剂窗口等是柔性器件制备的关键科学问题。申请人围绕以上科学问题，开展了系列研究工作，包括采用绿色反溶剂（乙基碳酸甲酯等）、溶剂添加剂拓宽反溶剂滴加窗口（10s ~ 40s）等，最后系统研究了溶剂对钙钛矿结晶、成膜及其效率影响机制，为印刷大面积钙钛矿薄膜提供重要的工艺参数。柔性钙钛矿薄膜的制备和转移也是其重要研究方向申请人提出了一种新型无损转移的方法，即双面胶/双面胶保护膜/环氧树脂的复合粘结材料转移钙钛矿薄膜。研究发现，此类复合粘附材料有助于钙钛矿太阳能电池的各个功能层形成平整、均匀的薄膜，并且不受转移过程影响，可制备出高可重复性的太阳能电池，转移后的柔性器件光电转化效率达16.55% (ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022, 14, 17348; Mater. Today Phy. 21, 2021, 100565, Sol. RRL. 2021, 5, 1–8; Int. Mater. Rev. 2022 1080, 1–22; ACS Appl. Mater. Interface, 2019, 11, 47003; Small, (2024), 2307186; Small (2023) 2306954)。
除了以上进展，项目申请人团队在小面积电池和模组（刚性与柔性）效率总体进展如图13所示（部分未发表）：小面积刚性器件效率25.69%（图5a），其中小面积刮涂工艺效率20.99% ，小面积柔性器件效率22.24%（图5b）；刚性模组效率19.51%（图5c）、柔性模组效率17.32%（图5d）。
图5 项目申请团队刚性和柔性器件及模组效率进展
(10) 光充储一体化电池
本研究中心前期在材料结构维度化设计，光充储锌离子电池体系中的功能活性正极和电子传输材料的形貌结构及界面性质开展了大量深入研究。理想的光充储正极应该具有高比表面积的陷光结构与快速的载流子分离特性，同时还需要具备高度锌离子储存活性和可逆性。基于此，开发了一种新型的光充正极材料，采用碳布纤维作为基底，表面依次构筑氧化锡量子点层（SnO2 QDs）和硫化钼纳米片（MoS2），形成了三维太阳花状结构的MoS2/SnO2 QDs@CC光充正极（图6）。通过第一性原理计算和能级匹配分析，发现MoS2与SnO2之间的能级匹配非常理想（△ECB=0.1 eV，△EVB=1.7 eV），这为正极材料的选择提供了重要的理论依据。在三维结构中，硫化钼纳米片的陷光特性和锌离子储存能力突出，SnO2 QDs量子点层则能够有效缩短电子扩散路径，促进电子转移，协同实现光生载流子的快速分离（图6）。在0.125 mA/cm²放电电流密度下，该体系的光电转换效率达2.7%，优于大多数现有的光充正极体系，显示出其在光充储一体化电池中的应用潜力(Advances Science (2024), 2309555; ACS nano 15 (6), 10597-10608)
图6 (a) 光激发下三维太阳花状结构MoS2/SnO2 QDs@CC光充正极工作原理示意图； (b) 光电转换效率测试图；(c) 不同可光充电池体系的光电转换效率对比图；(d) 及其相应性能对比的雷达图
3. 钙钛矿光传感、X光探测
光探测器作为将入射光转换为可读电信号的核心器件，已成为现代电子设备的基石，广泛应用于医疗成像、通信、化学与生物传感、人工智能等领域。随着科技进步，市场对高性能光探测器的需求不断增加，对其灵敏度、响应速度和功耗提出了更高要求，使其研究成为材料科学和器件物理领域的热点。在此背景下，江西省高度重视新材料与先进制造业的发展，将光电及通信技术列为省重点产业链现代化建设“1269”行动计划中的关键核心技术。通过光探测器的研发，江西省有望在新一代信息技术的融合应用中占据前沿位置，提升区域产业链的自主创新能力，推动相关产业的协同发展。
目前，Si、II-VI和III-V族化合物的无机半导体材料体系已在商用光探测器领域得到广泛应用。然而，传统无机半导体材料（Si、GaN和InGaAs等）生长需要通过复杂的高真空磁控溅射和高温化学气相沉积法，工艺复杂且设备昂贵。此外，这类器件量子效率较低（<40%，响应度 <0.2 A·W−1)，需要控制低温运行或者配备额外的信号放大器来实现弱光探测。近年来，卤化物钙钛矿半导体材料因其卓越的光吸收能力、高载流子迁移率、长载流子扩散长度、低陷阱密度以及高光致发光效率等优异特性，在光电子领域迅速崭露头角，极大地推动了高性能光电子器件的发展。
然而，要实现钙钛矿纳米晶及其光电器件从实验室到工业应用，其材料稳定性和可靠性仍然存在巨大挑战。由于钙钛矿纳米晶表面积与体积比高，为了维持其胶体稳定性，必须引入能够与纳米晶表面不协调位点结合的分子或离子配体（图6）。此外，配体在反应前与试剂结合，形成可溶性前体；在反应过程中，配体通过调节前体的供给速率和单体的形成，影响结晶动力学，从而控制纳米晶体的大小和形状；配体还可以终止PNCs的生长，防止不必要的成熟；纳米晶体制备后，配体通过后处理可有效修复PNCs的表面缺陷。因此，深入理解表面配体对钙钛矿纳米晶的作用机制，并研究高性能和高稳定性钙钛矿纳米晶的制备，可为钙钛矿纳米晶光电探测器的产业化提供关键的材料和技术支持。
图6 钙钛矿单晶X光探测示意图