新能源对于我国实现碳达峰和碳中和目标，构建生态文明具有重要意义，其中光伏发电是最重要的新能源技术之一。太阳能光伏发电（Photovoltaics）是指利用半导体材料的光生伏打效应将太阳能直接转化为电能。可再生清洁能源的利用是国家发展的重大战略议题，光伏发电是推动新能源革命的核心所在，其中光伏发电的核心则是太阳能电池。
课题组主要从事面向新能源领域的半导体光电功能材料方向的理论设计与研究工作。钙钛矿太阳能电池具备制备方法简单、带隙可调、载流子迁移率高、吸收系数大、缺陷密度低等显著优点，近十年来单节的电池转化效率不断提升，能与传统硅电池媲美。尽管尚存一些亟待攻克的难题，但钙钛矿太阳能电池的发展与应用仍拥有极其广阔的前景。
1. 新型高效稳定钙钛矿太阳能电池
太阳能电池是一种通过光伏效应将光能转换为电能的器件，从第一代单晶硅太阳能电池到第二代非晶硅、多晶硅以及无机薄膜太阳能电池，再发展到第三代薄膜太阳能电池，器件向着效率更高，成本更低，稳定性更好的方向不断突破。
而钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells）是一种新型的薄膜太阳能电池，是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2023年的26.25% 。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)。
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）新型高效无铅钙钛矿材料
钙钛矿晶体结构为ABX3，B离子位于立方晶胞的中心，被6个X离子包围成配位立方八面体；A离子位于立方晶胞的角顶，被12个X离子包围成配位八面体。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。钙钛矿材料可分为3D、2D （PR、DJ、ACI）和0D不同类型。设计并发展不同类别的新型无铅钙钛矿对钙钛矿行业的发展具有重要的研究意义。
2）铅钙钛矿缺陷钝化策略研究
目前，所有高效的有机-无机卤化物钙钛矿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。这些缺陷会俘获光生电子或空穴，导致器件内部发生严重的非辐射复合，降低电荷提取效率，最终造成开路电压损失，影响短路电流密度和填充因子。缺陷的带电特性使其在电场作用下会导致钙钛矿发生能带弯曲、相分离和降解，进而制约了电池稳定性和光伏性能的进一步提升。
3）电子传输层/空穴传输层优化
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，但该类材料因较低的电子迁移率而制约了钙钛矿太阳能电池效率。我们在该方向的工作主要是设计具备高载流子传输能力且与钙钛矿具有较好匹配能级的新型电子传输材料，如T-carbon等。
2. 化学催化
1）钙钛矿材料二氧化碳还原CO2RR机理的理论研究
利用太阳能驱动 CO2 还原生成高附加值燃料和化学品的人工光合作用，引起了极大的关注。因为它为同时解决全球变暖和可再生能源这两个重要的环境问题提供了一种有前景的策略。然而，由于光催化CO2还原过程涉及缓慢的多电子反应动力学，到目前为止，太阳能驱动的CO2还原转化效率仍远不能满足实际应用的要求。通常，光催化 CO2 还原的转化效率受到光捕获、CO2 吸附、光生载流子的电荷分离和传输、以及氧化还原反应等几个决定因素的控制。广泛的研究致力于通过优化材料中的这些关键因素，来寻求用于CO2还原的高效光催化剂。卤化物钙钛矿半导体是一类新兴的可溶液加工的光电材料，具有优异的物理特性，例如高光吸收系数、低制造成本、可调带隙、长扩散长度和长载流子寿命。由于其优异的本征光电特性，卤化物钙钛矿最近也证明了其在太阳能驱动的 CO2 还原或析氢光催化应用中的巨大潜力。
2）电化学析氢反应HER、氧还原反应ORR、CO2RR机理研究
析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）是构建可持续发展的氢能源社会的两个至关重要的化学反应过程，前者涉及氢气的生产制备过程而后者涉及到燃料电池等电化学反应的关键反应过程。目前，成熟高效的催化剂主要集中于铂（Pt）及其合金等贵金属催化剂，开发高性能、低成本的非贵金属基析氢及氧还原催化剂一直存在着挑战。近些年，基于过渡金属的2D材料催化剂在这方面展现出重大潜力。
