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我院朱成军教授课题组在纤维状集成器件领域、氧化镍基钙钛矿太阳能电池领域和半导体异质结构低温固体氧化物燃料电池领域取得重要研究进展

2023-10-10 文字:  点击:[]

我院朱成军教授课题组在纤维状集成器件领域、氧化镍基钙钛矿太阳能电池领域和半导体异质结构低温固体氧化物燃料电池领域取得重要研究进展

 

近日,我校物理科学与技术学院朱成军教授课题组在纤维状集成器件领域取得重要研究进展,相关成果发表在纳米领域国际顶尖期刊ACS Nano上,题为 “Integrating High-Sensitivity Photodetector and High-Energy Aqueous Battery in All-in-One Triple-Twisted Fiber”(论文链接https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c05710)。

 

能够将光号转换为电信号的柔性光电探测器在尖端智能电子应用领域得到了广泛的兴趣,如仿生眼睛、环境监测、智能纺织品和光通信。特别令人感兴趣的是光纤形状的光电探测器(FPDs),它具有独特的优势,包括高灵活性、轻质性、全向光吸收,使其成为便携式和可穿戴电子设备的理想选择。然而,传统的复合材料的界面兼容性导致其性能受到复杂变形和单一功能的不可逆退化,严重限制了它的实际应用。因此,设计一种新型的器件结构对于构建具有高灵活性和高灵敏度的多功能集成FPD的实际应用至关重要。

本工作设计了一种新型光电化学型FPD/电池集成器件(FPDB),该器件由公共电极 K2Zn3FeCN62·9H2O@CNTFZnHCF@CNTF)、光阳极 (ZnO@CNTF)阳极(NaTi2PO43@CNTFNTP@CNTF) 作为隔离层的溶胶-凝胶电解质组成。溶胶-凝胶电解质界面有效地避免了传统FPD的短路问题,提供了有效的离子传输,赋予了器件高效的储能能力。最终得到的一体化三扭曲纤维形状器件同时实现了高响应性和出色体积容量这种稳定的结构设计和功能纤维的多功能集成加速了下一代可穿戴织物的发展。

 

1 FPD器件的机械柔性与应用

 

对于光电检测,溶胶-凝胶电解质作为绝缘层,有效地包电极并确保最佳载流子传输,同时防止大面积接触的电极之间短路。在可穿戴应用中,FPD对复杂的物理变形表现出良好的抵抗力,并对光信号传输表现出优异的稳定性(在120°100次弯曲循环后,约为初始值的95.24%)。由于具有优异的钠离子存储能力,ZnHCF@CNTF对电极可以接受大量的光生电子,进一步提高了载流子传输的效率。所得到的FPD实现了151.45mA/W的高响应度和15 ms的快速响应时间除了光电检测,该集成器件还提供了1.6 V的高放电平台和18.75 mAh cm-3的体积容量

 

2 器件的电化学性能


该工作由我校朱成军教授课题组与中科院苏州纳米所张其冲研究员课题组合作完成。朱成军和张其冲为通讯作者,第一作者为内蒙古大学本课题组硕士生研究生卢泽,内蒙古大学为第一完成单位。本研究受到国家自然科学基金(620641010)国家重点研发项目计划(2022YFA1203304)项目和省部级自然科学基金项目(BK20220288)等项目的支持。

 

另外,朱成军教授课题组在氧化镍基钙钛矿太阳能电池领域取得了重要研究进展,相关成果发表在物理学类国际知名期刊Applied Physics Letters上,题为 “Triple hole transporting and passivation layers for efficient NiOX-based wide-bandgap perovskite solar cells”(论文链接:https://pubs.aip.org/aip/apl/article/122/22/223903/2893945/Triple-hole-transporting-and-passivation-layers)。

 

在高效、稳定的氧化镍基钙钛矿太阳能电池研究中,不良反应和晶格失配是两个亟待解决的科学问题。在这项工作中,我们给出了一种简单实用的方法,设计了一种协同策略,即通过NiOX的多层改性来沉积无针孔的混合HTLs利用这种多层双功能添加剂改性来获得高性能宽带隙PSCs

 

1aNiOXHTLs的器件结构示意图,(b-fAM 1.5PSCJ-V曲线,(gAM 1.5IPCE光谱和JSC

 

通过多层钝化NiOX HTLsNiOX/2PACz/Poly-TPD/PEAI的界面工程,以在NiOX和钙钛矿之间提供优化的界面接触,改善能带排列,并饱和缺陷状态。2PACz的应用避免了导致器件性能的退化羟基的直接接触、提高了导电性,并减少界面缺陷。Poly-TPD改性可以在NiOX/钙钛矿的界面处提供适当的能带对准PEAI用于改性Poly-TPD表面,其NH3基团可以钝化钙钛矿的未键合Pb离子。因此,与先前报道的单功能钝化相比,本论文提出了集成多种功能的多层钝化策略。结果,与当前文献获得的最高17.37 % 的器件效率相比,基于NiOX/2PACz/Poly-TPD/PEAI的宽带隙PSC获得了可提升到20.21%光电转换效率(PCE而且此器件在氮气氛中保存1000小时后,其稳定性能仍能保持其初始PCE值的95%以上。这一发现为制造高性能可控的NiOXHTLs PSCs提供了一种实用的方法。多层钝化策略可以同步减少NiOX和钙钛矿界面的缺陷状态,提高钙钛矿层的结晶度和稳定性,提供有利的能带排列,并促进NiOXHTLs对载流子的传输和提取,有利于其商业化。

 

2aNiOXNiOX/2PNiOX/22PACz/2P/PolyNiOX/2PACz/2P/Poly/PEAINi2p3/2XPS测量;(bNiOxNiOx/多层钝化钙钛矿的能级示意图

c)多层钝化HTLs的力学解释。

 

该工作由我校朱成军教授课题组与南开大学光电薄膜器件与技术研究所张晓丹教授课题组合作完成。朱成军教授和张晓丹教授为通讯作者,第一作者为内蒙古大学本课题组博士研究任宁宇博士,内蒙古大学为第一完成单位。本研究受到国家自然科学基金(6206410101156402761674084)和国家重点研发计划项目 (2018YFB1500103)等项目的支持。

 

再有,朱成军教授课题组在半导体异质结构低温固体氧化物燃料电池领域也取得重要研究进展,相关成果发表在工程材料科学领域国际知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上,题为 “Novel n−i CeO2/a-Al2O3 Heterostructure Electrolyte Derived from the Insulator a‑Al2O3 for Fuel Cells”(论文链接 http://pubs-acs-org-s.vpn.imu.edu.cn:8118/doi/epdf/10.1021/acsami.2c18240)。

 

在低温固体氧化物燃料电池(LT- SOFCs)研究中,具有高离子电导率电解质的开发异质结构技术已被视为最有前景的方法。该研究工作中,基于CeO2绝缘体宽禁带的非晶氧化铝(a-Al2O3)提出了一种新的半导体/绝缘体(n−i)异质结构策略用于开发LT-SOFCs的复合电解质材料利用此策略构建的CeO2/a-Al2O3复合电解质,550oC,其离子电导率高达0.127 S cm−1,燃料电池最大输出功率密度(MPD)1017 mW cm−2开路电压(OCV)达到了1.14 V,没有任何短路问题。这表明绝缘非晶a-Al2O3的引入可以有效地抑制CeO2的电子电导。

 

1带有aCeO2/a-Al2O3 7:3和(bCeO2电解质电池IV−IP曲线;(c不同温度下测量的八个单电池的方框图和(dCeO2/a-Al2O3 7:3和纯CeO2电解质的Arrhenius图。

 

另外发现在CeO2中引入a-Al2O3能够在异质结构的复合材料中形成众多微尺度异质界面,高分辨率TEM界面分析也证实了n-iCeO2a-Al2O3相之间的异质结构接触。在异质结构界面处的具有超宽带隙的绝缘体a-Al2O3所引起势垒抑制CeO2电子传导。同时,由于界面的电荷补偿,绝缘体热电效应而诱导出更多的氧空位,进一步促进了离子的输运,结果产生了更高的离子电导率和燃料电池的输出性能。本研究工作展现了一种实用的n - i异质结构复合电解质设计方法进一步的研究也证实了所设计构建的CeO2/a-Al2O3复合电解质的功能先进这项研究工作为利用像非晶氧化铝等这类的绝缘材料开发高性能的LT-SOFCs电解质材料开辟领域。

 

2异质结构的CeO2/a-Al2O3 7:3复合电解质的 (a) TEM(b) HR-TEM图及其能带结构势垒的示意图。

 

该工作由我校朱成军教授课题组完成,朱成军教授为通讯作者,本课题组的博士研究张英博博士和朱德才博士为共同第一作者,内蒙古大学为第一完成单位。本研究受到国家自然科学基金项目(620641010)和内蒙古自治区自然科学基金面上项目 (2020MS05004))的支持。

 

朱成军教授课题组

 

通讯作者简介:朱成军,我校物理科学与技术学院教授,博士生导师。20096月,毕业于吉林大学物理学院20097月,来校任教至今。近年来主要从事与新兴能源相关的半导体光电材料制备与器件制作方面的研究工作主持国家自然科学基金3项;主持内蒙古科技创新引导项目1项、内蒙古重点实验室重大开放课题1项、内蒙古重点实验室重大项目2项、内蒙古高校自然科学重点项目1项、内蒙古科学技术研究院技术创新引导项目1项,内蒙古重点研发与成果转化项目2项(校企合作),内蒙古科技攻关项目1项(校企合作)。目前在本领域ACS Nano, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, Energy Storage Materials, Applied Physics Letters, Energy Conversion and Management, Applied Surface Science, J. Power Sources, ACS Appl. Energy Mater.等国际著名期刊发表SCI学术论文50余篇,授权中国发明专利1项。培养的研究生有3人被评为自治区优秀毕业硕士论文。

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