进入21世纪后，以纳米材料为主体的第三代太阳能电池开始兴起，其中量子点太阳能电池，有机薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池由于优异的性能具有十分强劲的发展势头并向晶硅太阳能电池发起了挑战。以商业化为最终目标，本课题组致力于开发高效且价格低廉的太阳能电池材料，并且在相关领域均取得了一定进展。
本课题组从事新型太阳能电池材料与器件研究，具体可以概括的分为以下三类，
研究方向 一 ：利用结晶调控和表面钝化工程助力高效稳定钙钛矿太阳能电池
金属-卤族钙钛矿材料是一类结构为ABX3的新型半导体材料，具有载流子寿命长、吸收系数高、缺陷容忍度高等优点，是构建光伏器件的一种新型高效材料。目前单结钙钛矿光伏电池的器件效率已经达到了25.7%(面积为0.095 cm2)，展示出优异的光电转换性能。由于钙钛矿电池器件的制备工艺简单，材料廉价易得，产业化前景明朗，所以钙钛矿电池近年来已成为光伏领域的一大热点。
在钙钛矿体相材料的研究中，本课题组通过前驱体工程调控结晶过程抑制了薄膜中δ相FAPbI3的形成，将纯FAPbI3钙钛矿太阳能电池的效率提升至接近21％，同时具有更高的热稳定性，在50oC老化1600小时后保持90％的初始效率。利用天然染料靛蓝分子中羰基与Pb的相互作用实现表面钝化，减少薄膜中的缺陷态密度，在22.61%的光电转换效率下显著提升的器件稳定性。(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706377; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23019-23027; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 27299-27306)。
在钙钛矿纳米晶方向上，我组近年通过发展高效的钙钛矿量子点表面钝化技术和与量子点匹配的有机聚合物空穴传输材料，将全无机钙钛矿纳米晶的器件效率提升至15.2%。(Joule, 2018, 2, 2450; Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1900721; ACS Energy Lett., 2019, 4, 2850.)，并利用纳米晶材料独特的成膜工艺，设计了CsPbI3/FAPbI3异质结纳米晶太阳能电池，转换效率接近16%，为纳米晶太阳能电池文献报道的最高效率之一(ACS. Energy Lett., 2019, 4, 2571.)。在将钙钛矿纳米晶与有机聚合物相结合后，有效地增加了电荷提取，降低了电荷复合损失，分别在CsPbI3纳米晶和FAPbI3纳米晶器件中得到了15%和13.2%的效率 (J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8104；Adv. Funct. Mater. 2021, 2101272)。
(a) 钙钛矿太阳能电池器件结构示意图，(b) 采用原位前驱体工程和异位晶粒锚固的协同策略，制备成分和相纯净且稳定的α-FAPbI3薄膜，(c) 钙钛矿纳米晶太阳能电池器件结构示意图(d)钙钛矿纳米晶TEM图片及配体示意图。
研究方向 二 ：硫化铅（PbS）量子点太阳能电池
硫化铅(PbS)量子点太阳能电池由于光谱响应范围宽、强量子限域效应、多激子效应和高稳定性在光伏领域具有极强的竞争力，同时量子点墨水适合利用打印方法制备大面积太阳能电池也使其商业化道路具有更小的阻碍。
本课题组开创了室温PbS量子点墨水的直接合成方法得到效率超10%的电池器件（Nat. Commun. 2019, 10, 5136），随后在此基础上通过优化将效率进一步提升到了13.5%(Adv. Mater. Under review)。将该方法延伸至PbSe量子点油墨的直接合成过程后得到了10.34%的器件效率(ACS Energy Lett. 2020, 5, 3797-3803); 同时，为了系统的分析了水对PbS量子点太阳能电池的影响，对领域内普遍观察到的表面羟基诱导PbS量子点缺陷态现象的本质规律进行了阐述(Nat. Commun., 2021, 12, 4381)。同时基于对该反应的理解，开发了红外硫化铅量子点太阳能电池，通过1100长通滤光片过滤后获得了1.02%的IR-PCE。
传统PbS量子点薄膜制备方法示意图：首先通过热注射法合成长链油酸包裹的PbS量子点，然后通过（上）固态配体交换方法或者（下）溶液相配体交换制备导电薄膜。
同时课题组在基于传统的PbS量子点固/液相配体交换方法上制备了PbS量子点的杂化太阳能电池(Adv. Mater. 2013, 26,3624，J. Mater. Chem. A 2015, 3, 2572)、叠层太阳能电池(Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602667, J. Mater. Chem. A 2018, 6, 24693)、等离子体共振增强 (Adv. Energy Mater. 2017, 1701194)、器件结构优化(J. Mater. Chem. A 2017, 5, 23960)、 电子传输层掺杂(J. Mater. Chem. A 2018, 6, 17688-17697)以及PbS量子点大批量合成(J. Mater. Chem. C 2019, 7, 1575）等方面也有系列报道。
研究方向 三 ：聚合物有机太阳能电池
有机太阳能电池贯穿整个新型太阳能电池的发展，由于具有结构性能可调，绿色低毒等特点，有机太阳能电池在大面积薄膜制备和柔性可穿戴设备领域具有十分显著的优势。近年来，随着高性能窄带隙非富勒烯受体材料进展迅速，有机太阳能电池的发展得到进一步加强。目前，单节有机太阳能电池的最高光电转换效率已经超过17%。
我组近年着力于发展新型有机太阳能电池电池，在高效率和高稳定性有机太阳能电池方向取得了一系列进展，成果如下：系统性研究了空气加工条件下富勒烯体系和全聚合物非富勒烯体系有机太阳能电池器件的性能和长期稳定性，最终实现了空气条件加工，具有高效率和长期稳定性的全聚合物太阳能电池(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806747)；针对BHJ结构的有机太阳能电池采用逐步旋涂法制备了P-i-N结构的全聚合物太阳能电池器件，实现了接近10%的光电转换效率和明显提升的热稳定性，是基于PBDB-T:N2200体系文献报道的最高值之一(ACS Energy Lett. 2019, 4, 2277-2286)。在宽带隙全聚合物体系中以无归共聚的形式对受体聚合物进行不同程度的氟取代，实现了9.04%的光电转换效率，是基于宽带隙全聚合物体系文献报道最高值之一（Chemical Engineering Journal, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128000）。创新性的将明星非富勒烯受体分子Y6引入嵌段共聚物中，合成了新型嵌段聚合物PBDB-T-b-PTY6并实现了8.64%的光电转换效率和更为优异的空气稳定性，是文献报道的单组分有机太阳能电池最高值 (Adv. Mater. 2021, 2101295)。
（a) 有机太阳能电池的器件结构示意图，(b) 共轭聚合物和 PCBM 的分子结构，(c) 旋涂工艺制备不同湿度 (0%、10%、30%、50) 处理的有机 BHJ 薄膜在空气中和环境条件下的老化测试。