向萬春陜西師范大學材料科學與工程學院研究員

專家信息：

向萬春，現任陜西師范大學材料科學與工程學院研究員，曾任武漢理工大學材料科學與工程學院副研究員。

2010年于中國科學院化學研究所獲得博士學位，2011至2014年在澳大利亞莫納什大學工作，2014年7月起就職于武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，2017年至2018年在瑞士聯邦理工學院(EPFL)光分子科學實驗室Anders Hagfeldt教授課題組進行學術訪問。研究領域是面向新型光電材料的制備、性能以及在有機-無機光伏器件等中的應用。在相關領域發表SCI論文40余篇，包括以通訊作者發表在能源領域頂級期刊的Joule, Energy & Environ. Sci以及ChemSusChem、Green Chem、J. Mater. Chem. A, Chem. Commun、Angew. Chem. In. Ed.等。獲授權發明專利2項。研究成果曾被Energy & Environ. Sci.選為封面文章和熱點文章等進行專題報道。共主持基金6項。

教育及工作經歷：

2001-2005：陜西師范大學，理學學士。

2005-2010：中國科學院化學研究所，理學博士。

Ph. D. Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences

2010年獲得中國科學院化學研究所理學博士學位11D93

Assistant Professor, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences

2010.7-2011.3 中國科學院西安光學精密機械研究所助理研究員

Postdoc, Department of Chemistry, Monash University, Australia

2011.4-2014.6 澳大利亞Monash大學博士后

Associate Professor, State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Doctoral Tutor

2014.7-2020.6 武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室副研究員博士生導師

Visiting Scholar, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland

2017.8-2018.8瑞士洛桑聯邦理工學院訪問學者

Professor, Shaanxi Normal University

2020.7至今陜西師范大學研究員

主要學術兼職：

1、中國硅酸鹽學會理事。

2、Joule, Nat. Commun, Adv. Energy Mater., Nano Energy, ACS Applied Materials & Interface, Chem. Comm, J. Phys. Chem. J. Mater. Chem. A, J. Power Sources, New Journal of Chemistry等SCI期刊的審稿人

科學研究：

研究領域：

染料敏化太陽能電池

太陽能的有效利用是解決化石能源的日益枯竭及溫室效應和環境污染等問題的重要途徑之一。太陽能電池能實現無機械轉化和污染副產品的情況下，把太陽能直接轉化為電能，一直是研究熱點。染料敏化太陽能電池由于其價格便宜、工藝簡單、環境友好、形狀多樣化等優點而可能替代傳統的硅基電池。染料敏化太陽能電池通常由在導電基底上的敏化納晶多孔半導體作為工作電極，由鉑等作為對電極，在兩片電極中間由含有氧化還原電對的電解質構成。氧化還原電對在兩片電極之間傳輸電子，同時在電子注入到半導體能帶后使激發態染料得以再生。近年，腐蝕性低，吸光弱的基于聯吡啶鈷的電解質使得電解質的發展逐漸轉向無碘電解質。我們已經成功將過渡金屬（鈷、錳等）配合物氧化還原電對用于染料敏化太陽能電池中并取得了優異的光電轉換效率。通過對電解質進行凝膠固化，器件的穩定性得到了很大的提升。同時，我們采用水作為電解質溶劑來代替有毒的有機溶劑，獲得了目前世界效率最高的水電解質染料敏化太陽能電池，這是制備環境友好的太陽能電池器件的一個重要途徑。

鈣鈦礦太陽能電池

有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池自2012年起已在世界范圍內進行廣泛的研究，并被科學雜志選為2013年科學界十大突破之一。在這種新型全固態雜化太陽能電池中，具有ABX3晶型結構的有機-無機-鹵素鈣鈦礦材料為吸光材料。A是有機陽離子，B是金屬離子，X是鹵素離子。這種三鹵鈣鈦礦材料具有很寬的吸光范圍（300-800 nm）和高摩爾吸光系數，因此，很薄的一層吸光層（~ 300 nm）就足以滿足高效鈣鈦礦太陽能電池的要求。而提高鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率和穩定性的方法在于材料的選擇和工藝的優化。這種低成本和簡單工藝的太陽能電池是光伏建筑一體化工程的重要組成部分。

研究方向：

1. 鈣鈦礦太陽能電池

Perovskite solar cells

2. 鈣鈦礦疊層太陽能電池

Tandem perovskite solar cells

3. CO2電催化還原

Electrocatalysis for CO2 reduction.

承擔科研項目情況：

共主持基金6項。

1. 低帶隙無機鈣鈦礦組分優化及其對穩定性的影響機理研究，國家自然科學基金面上項目，60萬，2020.1.1-2023.12.31. 主持

2. 水電解質pH值的調控及其對p型染料敏化太陽能電池光電性能的影響，國家自然科學基金，21萬，2016.1.1-2018.12.31，主持

3. 富勒烯衍生物脂基端功能化及其在低溫鈣鈦礦電池上的應用，湖北省自然科學基金，5萬，2016.1.1-2017.12.31，主持

4. 富勒烯衍生物端功能化及其在鈣鈦礦電池上的應用，北京分子科學國家實驗室開放課題，8萬，2016.3.1-2018.2.28，主持

科研成果：

在相關領域發表SCI論文20余篇，包括以通訊作者發表的Energy & Environ. Sci.、ChemSusChem.、Green Chem.、Chem. Commun.、Angew. Chemie. In. Ed.等。獲授權發明專利2項。研究成果曾被Energy & Environ. Sci.選為封面文章和熱點文章等進行專題報道。

發明專利：

[1]向萬春,張帆,姚希. 一種穩定的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法[P]. 湖北：CN107919439A,2018-04-17.

[2]方艷艷,向萬春,方世璧,林原. 一種懸掛強電負性離子官能團的離子液體聚合物及其制備方法與應用[P]. 北京：CN102234354A,2011-11-09.

[3]向萬春,方世璧,林原. 聚合物-金屬離子絡合物凝膠電解質及其制備方法與應用[P]. 北京：CN102020748A,2011-04-20.

[4]向萬春,方世璧,林原. 聚合物-金屬離子絡合物凝膠電解質及其制備方法與應用[P]. 北京市：CN102020748B,2012-08-08.

[5]向萬春,張帆,姚希. 一種穩定的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法[P]. 湖北�。篊N107919439B,2020-01-14.

[6]向萬春,鄭勇,潘俊燁,陳麒,涂曉詩. 一種全無機鈣鈦礦太陽能電池的制備方法[P]. 湖北�。篊N110416361A,2019-11-05.

[7]方艷艷,向萬春,方世璧,林原. 一種懸掛強電負性離子官能團的離子液體聚合物及其制備方法與應用[P]. 北京市：CN102234354B,2014-04-16.

論文專著：

代表性論文：

26.Wanchun Xiang*, Junye Pan, Qi Chen, In Situ Formation of NiOxInterlayer for Efficient n-i-p Inorganic Perovskite Solar Cells, ACS App. Energy Mater. 2020, 3, ‏5977-5983

25.Wanchun Xiang*#, Zaiwei Wang#, Dominik J. Kubicki, Wolfgang Tress, Jingshan Luo, Daniel Prochowicz, Seckin Akin, Lyndon Emsley, Jiangtao Zhou, Giovanni Dietler, Michael Grätzel, Anders Hagfeldt*, Europium-Doped CsPbI2Br for Stable and Highly Efficient Inorganic Perovskite Solar Cells, Joule, 2019, 3, 205-214. (ESI高被引論文和熱點論文)

24.Wanchun Xiang*#, Zaiwei Wang#, Dominik J. Kubicki, Wolfgang Tress, Jingshan Luo, Xueting Wang, Jiahuan Zhang, Albert Hofstetter, Lijun Zhang, Lyndon Emsley, Michael Grätzel, Anders Hagfeldt*, Ba-induced phase segregation and band gap reduction in mixed-halide inorganic perovskite solar cell,Nat. Commun. 2019,10, 4686.

23.Wanchun Xiang*, Wolfgang Tress*, Review on Recent Progress of All-inorganic-Metal Halide Perovskites and Solar Cells, Adv. Mater. 2019, 31, 201902851

22.Qi Chen, Wei Wang, Shengqiang Xiao*, Yi-bing Cheng, Fuzhi Huang, and Wanchun Xiang*, Improved Performance of Planar Perovskite Solar Cells Using an Amino-Terminated Multifunctional Fullerene Derivative as the Passivation Layer, ACS App. Mater. Inter, 2019, 11, 27145-27152

21.Abdelaal Saiyd Abdelaal Ahmed, Wanchun Xiang*, Amiinu Ibrahim Saana, Li Ziying, Ruohan Yu and Xiujian Zhao*, ZnO-nitrogen doped carbon derived from zeolitic imidazolate framework as an efficient counter electrode in dye-sensitized solar cells, Sustainable Energy Fuels, 2019, 3, 1976-1987 (內封面文章)

20.Wanchun Xiang*, Anders Hagfeldt*, Phase stabilization of all-inorganic perovskite materials for photovoltaics, Current Opinion in Electrochemistry, 2018, 11, 141-145.

19.Abdelaal. S. A. Ahmed, Wanchun Xiang*, Ziying Li, Ibrahim Saana Amiinu, Xiujian Zhao*, Yolk-shell m-SiO2@ Nitrogen doped carbon derived zeolitic imidazolate framework high efficient counter electrode for dye-sensitized solar cells, Electrochimica Acta, 2018, 292, 276-284.

18.Abdelaal S. A. Ahmed, Wanchun Xiang*, Xiaowei Hu, Chen Qi, Xiujian Zhao*, Si3N4/MoS2-PEDOT: PSS composite counter electrode for bifacial dye-sensitized solar cells, Solar Energy, 2018, 173, 1135-1143.

17.Abdelaal S. A. Ahmed, Wanchun Xiang*, Ibrahim Saana Amiinu and Xiujian Zhao*, Zeolitic-imidazolate-framework (ZIF-8)/PEDOT:PSS composite counter electrode for low cost and efficient dye-sensitized solar cells, New J. Chem. 2018, 42, 17303-17310.

16.Abdelaal S. A. Ahmed, Wanchun Xiang*, Ibrahim Saana Amiinu and Xiujian Zhao*, Carbon black/silicon nitride nanocomposites as high-efficiency counter electrodes for dye-sensitized solar cells, New J. Chem. 2018, 42, 11715-11723.

15.Wanchun Xiang*, Qi Chen, Yiyuan Wang, Meijin Liu, Fuzhi Huang, Tongle Bu, Taishan Wang, Yi-Bing Cheng, Xiao Gong, Jie Zhong, Peng Liu, Xi Yao* and Xiujian Zhao, Improved air stability of perovskite hybrid solar cells via blending poly(dimethylsiloxane)–urea copolymers, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 5486-5494.

14.Xiao Li Zhang*, Wenchao Huang, Anna Gu, Wanchun Xiang*, Fuzhi Huang, Zheng Xiao Guo, Yi-Bing Cheng and Leone Spiccia, High efficiency solid-state dye-sensitized solar cells using a cobalt(II/III) redox mediator, J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 4875-4883.

13.Anna Gu, Wanchun Xiang*, Taishan Wang, Shaoxuan Gu, Xiujian Zhao, Enhance photovoltaic performance of tris(2,2’-bipyridine) cobalt(II)/(III) based dye-sensitized solar cells via modifying TiO2 surface with metalorganic frameworks, Solar Energy, 2017, 147, 126–132.

12.Huangzheng Liu, Wanchun Xiang*, Haizheng Tao*, Probing the influence of lithium cation as electrolyte additive for the improved performance of p-type aqueous dye sensitized solar cells, J. Photochem. Photobio. A: Chemistry, 2017, 344, 199-205.

11.Wanchun Xiang,* Joshua Marlow, Peter Bauerle, Udo Bach and Leone Spiccia*, Aqueous p-type dye-sensitized solar cells based on the tris(1,2- diaminoethane) cobalt(II)/(III) redox mediator, Green Chem. 2016, 18, 6659-6665.

10.Wanchun Xiang, Dehong Chen, Rachel A. Caruso, Yi-Bing Cheng, Udo Bach and Leone Spiccia, The Effect of the Scattering Layer in Dye-Sensitized Solar Cells Employing a Cobalt-Based Aqueous Gel Electrolyte, ChemSusChem, 2015, 8, 3704-3711.

9.Cunku Dong, Wanchun Xiang,Fuzhi Huang, Dongchuan Fu, Udo Bach, Yi-Bing Cheng, Xin Li and Leone Spiccia, Angew.Chem. Int. Ed., 2014, 53, 6933-6937

8.Cunku Dong, Wanchun Xiang, Fuzhi Huang, Dongchuan Fu, Wenchao Huang, Udo Bach,Yi-Bing Cheng Leone Spiccia and Xin Li, Nanoscale, 2014, 6, 3704-3711.

7.YangChen, Fuzhi Huang, Wanchun Xiang,Dehong Chen, Lu Cao, Leone Spiccia, Rachel A. Caruso and Yi-Bing Cheng,Nanoscale,, 2014, 6, 13787–13794

6.Wanchun Xiang, Fuzhi Huang, Yi-Bing Cheng, Udo Bach and Leone Spiccia, Aqueous dye-sensitized solar cell electrolytes based on the cobalt(II)/(III) tris(bipyridine) redox couple, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 121-127. (封面文章和熱點文章)

5.Wanchun Xiang, Akhil Gupta, Muhammad Kalim Kashif, Ante Bilic, Richard A. Evans, Leone Spiccia and Udo Bach, Cyanomethylbenzoic acid: Novel acceptor for the donor-π-acceptor modular organic chromophores for dye-sensitized solar cells, ChemSusChem, 2013, 6, 256-260.

4.Jeremiah Toster, K. Swaminathan Iyer, Wanchun Xiang, Federico Rosei, Leone Spiccia and Colin L. Raston, Nanoscale,2013, 5, 873-876.

3.Yujian Huang, Wanchun Xiang, Xiaowen Zhou, Yuan Lin, Shibi Fang, Electrochimica Acta, 2013, 89, 29-34.

2.Wanchun Xiang, Wenchao Huang, Udo Bach and Leone Spiccia, Stable High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells Based on a Cobalt Polymer Gel Electrolyte, Chem. Commun. 2013, 49, 8997-8999.

1.Wanchun Xiang, Yanyan Fang, Shibi Fang, Yuan Lin, Polymer metal complex as gel electrolyte for quasi-solid state dye-sensitized solar cells, Electrochimica Acta, 2011, 56, 1605-1610.

會議論文：

[1]向萬春. 組分調控實現高效穩定鈣鈦礦太陽能電池的制備[C].2021全國太陽能電池材料器件與技術大會論文集.2021:47.DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.008446.

[2]向萬春. 組分調控對鈣鈦礦太陽能電池光電性能的影響[C].第二屆全國光電材料與器件學術研討會摘要集.2021:181.DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.007909.

[3]向萬春,陳麒,張帆. 一種富勒烯衍生物修飾材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應用[C].第四屆新型太陽能電池學術研討會論文集.2017:225.

科學中國人報道：

奏萬春：向“陽”而生

——記武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室副教授向萬春

在當下追求清潔能源的大背景下，能直接把光能轉化成電能的太陽能電池，已經形成了相當大的產業規模。實際上，形成如今這種規模，太陽能電池經歷了相當長的3個發展階段。

荒原或沙漠中的太陽能電池板，通常都是用晶體硅材料制成的。不過想要制造這種高純硅面臨著造價高、耗能高等難題，這嚴重制約了主要基于單晶硅的第一代太陽能電池的發展。而相比第一代，以非晶硅、銅銦鎵硒薄膜、碲化鎘薄膜為代表的第二代太陽能電池，雖然降低了成本，但效率卻沒有提升，因此性能會隨著使用時間的增長而衰退。而被稱作新概念太陽能電池的第三代太陽能電池，就是今天的重點，鈣鈦礦太陽能電池。

有趣的是，鈣鈦礦太陽能電池中并沒有鈣元素，也沒有鈦元素。它的得名在于其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質。由于其具有眾多優良特性，越來越多的科研人員對它青睞有加，將源源不斷的人力、物力投入到相關研究中，也令鈣鈦礦太陽能電池的巨大魅力逐漸展現在人們面前。武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室副教授向萬春基于鈣鈦礦薄膜太陽能電池，在材料性質、器件結構以及大面積制備薄膜太陽能電池的工藝研究上不斷前行，并一步步將研究向產業化方向過渡。

永無止境不斷高攀

教育就好像是一棵樹搖動另一棵樹，一朵云推動另一朵云，一個靈魂撼動另一個靈魂的活動，老師對學生的意義不言而喻，要想讓學生“信其道”，必先使學生“親其師”。向萬春之所以能進入鈣鈦礦太陽能電池領域，還得從化學的大背景說起。向萬春與化學的結緣就源于高中時期的化學老師，老師幽默風趣的講課方式與生動靈活的課堂氛圍讓他一下就對化學產生了興趣。在填報大學志愿時他毫不猶豫地選擇了化學，也暗下決心要成為一名教師�？捎媱澸s不上變化，大學期間向萬春在學習基礎化學理論之外，還有機會走進實驗室接觸到了有機化學實驗。體驗到化學作為一門實驗學科的魅力之后，向萬春心想，要是能繼續研究化學中的神奇就好了。于是，在陜西師范大學畢業后，他進入中國科學院化學研究所繼續延續與化學的緣分。

在研究所讀完碩士與博士后，向萬春已經在化學領域積累了豐富的研究經驗，博士畢業后他來到中國科學院西安光學精密機械研究所工作，學無止境，向萬春總覺得還有更多的化學奧秘等待他去探索。于是，工作一年后，他遠赴澳大利亞莫納什大學進行博士后的相關工作。這期間，他延續前期在碩博時的研究方向，以化學作支撐，重點進行染料敏化太陽能電池研究。

3年的博士后工作一晃而過，回國后向萬春進入武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室。他介紹，目前實驗室已具備進行化學合成的條件，且與武漢理工大學復合材料新技術國家重點實驗室教授程一兵帶領的團隊保持著緊密且良好的合作關系，目前程一兵團隊已有150平方米的萬級超凈間作為電池制備及表征實驗室。實驗室的大力支持為向萬春的研究開了個好頭，也讓他能夠將更多精力投入到研究中。

2016年，向萬春與實驗室團隊對p型染料敏化太陽能電池（p-DSCs）展開研究。他提到，這對于大幅提高疊層電池的光電轉化效率意義重大。于是，他決定先對基于水電解質的p-DSCs的光電轉換效率和穩定性進行調節。為此，他通過調節水電解質pH值的方式，既實現了半導體工作電極的質子摻雜，又改變了電解質的氧化還原電位，繼而使p-DSC的光電轉換效率得到優化。

向萬春特別提到，與有機電解質不同的是，這種方法在水電解質體系中的效果會更加明顯。對此，在效率得到優化后，向萬春又繼續研究在不同pH條件下，p-DSCs中電荷在工作電極或電解質界面的傳輸和復合機理。他通過研究不同pH值對器件中工作電極或電解質界面處光生空穴的復合機制和影響規律，更全面地了解了電荷在器件內部的傳輸機理，打破了對基于水電解質的p-DSCs界面電荷傳輸行為尚不清楚的局面，為在水電解質中的應用提供了理論指導。

匠心獨具創新求穩

太陽能電池可謂是筑起了向萬春對科研的不懈追求之路，他是無數太陽能電池人的剪影，孜孜不倦地耕耘在太陽能電池領域，攻克了一個又一個核心技術難題。當時已經對染料敏化太陽能電池頗有研究心得的向萬春，注意到了太陽能電池領域中，一個雖萌生不久發展勢頭卻很強勁的新方向：鈣鈦礦太陽能電池。

該電池不僅制作工藝簡單，發電成本還很低，鈣鈦礦結構材料從2009年首次應用于光伏技術以來，光電轉換效率已經從3.8%躍升至23.3%，提高了5倍多。但縱使有著許許多多的優點，該電池也不是完美的，其不穩定性問題直到現在都沒有解決。

向萬春介紹，在鈣鈦礦中，其有機組分對熱很不穩定，一旦暴露在高溫下極易揮發分解，很大程度上決定了鈣鈦礦電池的使用壽命�？蒲腥藛T雖然已經發現全無機鈣鈦礦可從根本上解決穩定性問題，但別說是在高溫下，低帶隙全無機鈣鈦礦材料就算是在室溫條件下，也會自動從立方相（鈣鈦礦相）變成正交相（非鈣鈦礦相），繼而會失去光電活性。

為了找到問題的突破口，向萬春和瑞士洛桑聯邦理工學院的Anders Hagfeldt教授團隊合作，他們將離子半徑較小的銪作為部分鉛的替代品，設計了一種新型的基于銪摻雜的CsPbI2Br全無機鈣鈦礦材料。銪摻雜不但可以提高CsPbI2Br的相穩定性、減小晶粒尺寸、提高成膜質量，還可以顯著減小鈣鈦礦太陽能電池內部的非輻射復合。設計出的新材料可實現在相對濕度低于40%條件下鈣鈦礦薄膜穩定存在6個月以上的穩定性。經驗證，由這種新材料制備的無機鈣鈦礦太陽能電池具有13.71%的光電轉換效率，且在連續標準光照下具備良好的穩定性。成果最近發表于Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule上。

如今，各個國家越來越意識到構建可持續發展社會的必要性，因此，盡可能多地使用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源是大勢所趨，太陽能作為一種新興可再生能源恰好滿足這個需求。我國對新能源領域極為重視，在2016年發布的“十三五”規劃綱要（草案）中就明確寫明：要加快發展中東部及南方地區分布式風電、分布式光伏發電。迎著良好的發展勢頭，向萬春對今后的研究很有信心。他表示，接下來的重點是希望能夠在研究之外，也在科研產出上多出些成果，將研發的一系列新技術引向企業得到實際應用，為光伏發電領域的發展貢獻自己的力量。

從事太陽能電池研究，道阻且長，但依托武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室這樣良好的科研平臺，向萬春與一代代武漢理工的科研人，始終以服務國家需求為己任，潛心研究，默默積累，為不斷壯大的“中國力量”書寫堅定而有力的一筆。

來源：科學中國人 2018年22期