过渡金属掺杂在钙钛矿光伏器件中的应用

钙钛矿太阳能电池在近年发展迅猛，电池效率在几年内连续增长达到2022年认证的25.7%，在光伏器件领域展现出巨大的潜力。尽管钙钛矿太阳能电池具有较高效率，但其热稳定性及湿度稳定性等仍是阻碍其发展的一大屏障。金属离子掺杂被认为是提高钙钛矿光伏器件光电转化性能和稳定性的有效方式之一。其中过渡金属由于其具有多价位等独特性能受到研究人员的青睐。本文综述了近5年采用过渡金属对钙钛矿光伏器件各层进行掺杂修饰的最新研究进展，总结了使用过渡金属离子掺杂钙钛矿太阳能电池的电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层以及金属电极层的方法和策略，探讨运用此类手段优化钙钛矿光伏器件结构、光电性能及稳定性等参数的规律和机理。     

石墨烯材料在钙钛矿太阳能电池中的研究进展

石墨烯及其衍生物具有独特的材料结构和光电性质,可作为界面修饰层、电子传输层、空穴传输层应用于新型钙钛矿太阳能电池,以提高电池的光电转换效率和性能稳定性。此外,石墨烯透明电极在柔性、半透明或叠层钙钛矿太阳能电池应用中独具优势。本文综述了石墨烯及其衍生物在钙钛矿太阳能电池中的研究进展,指出了未来发展重点。     

有机-金属钙钛矿太阳能电池微结构及载流子传输机制

采用有机-金属卤化物钙钛矿作为光吸收材料的固态太阳能电池取得了巨大的突破与快速的发展,电池效率已超过20%。对固态钙钛矿太阳能电池的微结构和激发载流子在电池内的产生与传输机制做了详细的综述与分析,指出了电池结构从介孔"敏化"结构开始,经历介观-超结构、平面异质结结构、无空穴传输层结构及无电子传输层结构的发展阶段。分析表明电池结构的发展主要取决于对有机-金属卤化物钙钛矿材料中激发载流子分离与传输机制的深入认识,利用既可传输电子又可传输空穴的有机-金属卤化物钙钛矿材料制备的介孔结构和异质结结构的电池都可实现高效率转化。     

接触电极功函数对反式锡基钙钛矿太阳能电池性能的影响

因反式锡基钙钛矿太阳能电池可避免J-V迟滞以及铅元素,基于SCAPS-1D设计结构为ITO/HTL/CH3NH3SnI3/PCBM/back-contact的反式锡基钙钛矿太阳能电池器件。其中NiO、Cu₂O以及P3HT分别作为空穴传输层,探讨导电玻璃ITO功函数在4.6~5.0 eV范围内电池性能的变化,并分析Al、Sn、Ag、Fe、Cu以及Au这6种材料作为背电极的电池器件的性能差异。由仿真结果可知,ITO功函数越高而背电极功函数越低,载流子的传输和收集受到促进,反式锡基钙钛矿太阳能电池性能更佳。另外,相比Cu₂O和P3HT,NiO是更适合该结构的空穴传输层材料。本文可为制备高性能反式锡基钙钛矿太阳能电池实验接触电极的选择提供一定的借鉴。     

P3HT为空穴传输层的碳基钙钛矿太阳电池

碳电极具有成本低、印刷方便、可有效隔离水氧等优点,因此有望利用碳电极材料实现低成本、高稳定性的钙钛矿太阳电池。无空穴传输层的传统碳基钙钛矿太阳电池面临着空穴提取率低、电子逆向传输,钙钛矿和碳电极界面的载流子复合等问题。文章引入聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为器件的空穴传输层,使碳基钙钛矿太阳电池ITO/SnO₂/MAPbI₃/P3HT/Carbon的光伏性能得到了显著改善:器件的光电转化效率从11.16% 提高到13.37%。在氮气环境下,连续光照1000h,太阳电池的光电转化效率可保持初始值的87%,而传统器件在光照500h后,其光电转化效率已下降至初始值的60%。     

载流子传输材料对双层器件电致发光特性影响

以新的稀土红色荧光络合物－－Eu(TTA)m复合体系作为发光层,用不同载流子传输材料充当电子传输层做成双层器件,研究了双层器件的电致发光特性。对于空穴传输材料,高场下器件的电流表现为体内电阻限制;而对于电子传输材料,咖啡 件的电流表现为电极限制。从光谱的变化,可明显看出电场对复合区域的影响。     

不同空穴阻挡材料对白色OLED性能的影响

采用Alq3、TPBi和BCP分别作为电子传输材料和空穴阻挡材料,制备了三种器件,研究了用不同的空穴阻挡材料对器件性能的影响。实验结果表明:只采用30nm Alq3作电子传输层的器件的电流效率最大值为7.84cd/A(9V),而采用10nm Alq3作电子传输层,插入20nm的BCP和TPBi作空穴阻挡层的器件获得的电流效率最大值分别为9.72cd/A和12.21cd/A(9V)。这些结果说明空穴阻挡材料能改善器件的性能,TPBi比以BCP作为空穴阻挡层的器件性能有了很大的改善,制备的白色OLED的最大亮度和电流效率分别为22400cd/m2(17V)和12.21cd/A(9V)。     

基于新型共基质电子传输层的有机发光器件

研究了Liq:Bphen混合层的电子传输特性.采用该混合层作为共基质电子传输层制备了结构为[ITO/m-MTDATA/NPB/Alq3/Liq(33%):Bphen/LiF/Al]的有机发光器件,基于共基质电子传输层的器件驱动电压比传统器件降低了13%而效率却提高了21%.研究袁明通过优化混合层的掺杂浓度,可以显著提高电子传输层的导电率,降低驱动电压,从而提高器件的效率.     

ZnO纳米颗粒表面缺陷对有机太阳能电池性能的影响

用温度控制ZnO纳米 颗粒粒径的大小,研究了颗粒粒径对表面缺陷的影响。由透射电镜(TEM)、紫外-吸收光谱 和荧光光谱测试表明,随着反应温度升高,ZnO纳米颗粒的尺寸增加,比表面积显著下降, 表面缺陷的体密度降低。将不同反应温 度下的ZnO纳米颗粒应用于ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO₃/Ag结构的有机太阳能电池中,进一 步研究了缺陷对电池性能的影 响。实验结果表明,60℃下ZnO纳米颗粒薄膜作为电子传输层的器件 效果最好,电池效率可以达到3.05%。 这表明在一定范围内,ZnO纳米颗粒越大,缺陷密度越低,越有利于器件中电子的传输从而 提高太阳能电池器件的短路电流密度和光电转化效率。     

钙钛矿太阳电池用NiO/石墨烯复合空穴传输材料北大核心

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池（PSC）因其效率高、成本低及制备工艺简单等优点而得到广泛的关注。采用无机材料替代有机空穴传输材料可以进一步降低电池成本,拓宽钙钛矿太阳电池空穴传输材料的选择范围。采用水热合成法制备了NiO/石墨烯复合材料前驱体,经过高温处理,得到NiO/石墨烯复合材料,并将其应用于钙钛矿太阳电池空穴传输层。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析仪-差式扫描量热仪（TGA-DSC）等手段表征了复合材料组分及微观结构。同时,探索了复合材料质量浓度和制膜工艺对空穴传输层性能的影响。研究结果表明,当复合材料的氯苯溶液质量浓度为1.25 mg/mL时,采用喷涂工艺制膜得到的空穴传输层具有最优的性能,其相应钙钛矿太阳电池的光电转化效率为1.44%。NiO/石墨烯复合材料在钙钛矿太阳电池中表现出优于NiO和石墨烯的性能,体现了NiO和石墨烯在复合材料空穴输运过程中的协同作用。     

天然生物材料促进高性能钙钛矿太阳能电池的进展

钙钛矿太阳能电池（PeSCs）因其高效率、低成本和简单的制备工艺而被认为是最有前途的光伏技术之一。PeSCs的能量转换效率和稳定性很大程度上取决于钙钛矿薄膜的质量和器件中的界面,它们是PeSCs非辐射复合损失的主要来源。天然生物材料具有丰富的资源、无毒和生物相容性等优点,在改善PeSCs的钙钛矿层和界面方面显示出巨大的潜力。本文综述了利用天然生物材料实现高性能PeSCs的最新进展。首先讨论天然生物材料在钙钛矿薄膜的形貌优化、缺陷钝化和能级调控方面的作用;同时,讨论利用天然生物材料优化钙钛矿和电荷传输层之间的界面,以及构建可拉伸、可生物相容和可生物降解的电极的策略;最后,展望PeSCs在天然生物材料方面的进一步发展。     

硅基倒置型顶发射有机发光二极管

利用n型硅作为阴极制备了倒置型顶发射有机发光二极管.通过在 n-Si 阴极和电子传输层(Alq3)之间插入1 nm厚的 Ba 作为电子注入层,将器件的开启电压从20 V降低到9 V,并且将器件的效率提高了13倍.器件性能的提高主要是因为1 nm厚的 Ba 有效的降低了电子注入的势垒.     

Bphen掺杂Cs_2CO_3作为电子传输层对OLED器件性能的影响

为改善OLED器件的载子注入平衡,本文在其结构ITO/MoO3/NPB/Alq3/Cs2CO3/Al中,分别引入高电子迁移率材料Bphen及Bphen∶Cs2CO3作为电子传输层。通过改变Bphen的厚度以及Bphen中Cs2CO3的体积掺杂浓度,研究其对器件发光亮度、电流密度和效率等性能的影响。实验结果表明,采用Bphen或者Bphen∶Cs2CO3作为电子传输层,均能提高器件的电子注入能力,改善器件的性能。相比于未引入Bphen的器件,采用25nm的Bphen作为电子传输层,改善了器件的电子注入,使器件的最大电流效率提高112%;采用体积掺杂浓度为15%,厚度为5nm的Bphen∶Cs2CO3作为电子传输层,减小了电子注入势垒,使器件的最大电流效率提高27%,并且掺杂层厚度的改变对器件的电子注入影响很小。该方法可用于OLED器件的阴极修饰,对器件性能的提升将起到一定的促进作用。     

多孔ZnO纳米花电子传输层对有机太阳能电池性能的优化

通过水热法制备了多孔、单晶结构的三维ZnO纳米花材料。研究了不同生长时间下(6h、9h和12h)的ZnO材料的形貌及光电性能。结果表明,反应9h的多孔ZnO纳米花材料具有较高透光率、低缺陷密度以及高载流子迁移率等优点,是较为理想的电子传输层材料。将这些材料应用于有机太阳能电池的制备,性能测试结果表明,以生长时间为9h的多孔ZnO纳米花材料作为电子传输层的器件性能最佳,与无ZnO修饰层的参比器件相比,其短路电流密度Jsc和光电转化效率(PCE)明显提高,分别达到了5.68mA/cm2和1.24%。     

氯化铯掺杂PEDOT∶PSS助力高效率、高亮度钙钛矿发光二极管

空穴传输层(Hole Transport Layer,HTL)是金属卤化物钙钛矿发光二极管(Perovskite Light-emitting Diodes,Pero-LEDs)中影响载流子传输平衡的一个重要因素。聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)∶聚苯乙烯磺酸钠(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)∶Poly(styrene sulfonate),PEDOT∶PSS)薄膜因其优异的导电性能、光透过率以及简单的溶液制膜工艺,而广泛应用于Pero-LEDs的HTL。然而,钙钛矿发光层的价带与PEDOT∶PSS薄膜最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)能级之间能带差较大,增大了空穴注入势垒,继而降低了器件效率。本文通过向PEDOT∶PSS水溶液掺入适量的氯化铯(CsCl)添加剂,有效调控了PEDOT∶PSS薄膜的HOMO能级,使其与钙钛矿发光层更加匹配;同时CsCl掺杂也提高了PEDOT∶PSS薄膜的空穴传输能力,使载流子传输更趋于平衡。基于改性的PEDOT∶PSS薄膜,最佳器件达到了124 012cd/m~2的高亮度,其最大外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)达到了10.39%;相对于未掺杂的样品,最大亮度增加了25.49%,最大EQE增加了63.88%。     

空穴传输层NPB中掺杂Alq3制备高性能的蓝光器件

研究了在空穴传输层NPB中掺杂Alq3制备高性能的蓝光有机电致发光器件（OLED）。采用传统的材料和结构，在空穴传输层NPB中掺杂Alq3，在掺杂浓度为3％时，OLED的色坐标为（0．17，0．19）、亮度为10770cd／m^2（在13V时）和最大效率为4．1cd／A。在同等条件下，Alq3掺杂降低了开启电压，在7V时亮度达到了118．8cd／m^2。研究分析表明，OLED性能的提高是由于NPB的HOMO能级比Alq3的HOMO能级高，掺杂剂Alq3对空穴有散射作用，阻挡了部分空穴的传输，降低了空穴的迁移率；而Alq3又是很好的电子传输材料，Alq3掺杂提高了空穴和电子在发光层中的注入平衡，有利于激子的形成，从而提高了器件的性能。     

Alq基有机发光二极管中Liq的“n型掺杂”机理研究

通过将Liq(8-hydroxyquinolinato-lithium)掺入电子传输层Alq(tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum)中,制备了具有不同结构的仅传输电子的单载流子器件。实验结果表明,掺杂器件的电性能劣于含Liq/Al复合阴极的非掺杂器件,优于含Al阴极的非掺杂器件,这表明掺入Alq的Liq没有产生明显的“n型掺杂”效应,其具有双重作用:掺杂后分散在Alq/Al阴极界面上的Liq以电子注入层的形式出现,通过增强电子注入来提高器件电流;掺杂后存在于Alq体相中的Liq由于自身的导电性差,对电子传输具有不利影响,从而降低了器件的电流。在电致发光器件的测试中,Liq的掺杂表现出类似的现象,掺入Liq的器件性能介于非掺杂具有Liq/Al阴极和Al阴极结构器件之间,三种器件的最大电流效率分别为3.96,4.27和2.27cd/A,并且在吸收光谱和光致发光光谱中观察不到电荷转移所带来的额外变化。     

基于钙钛矿材料的新型结构太阳能电池器件

基于钙钛矿材料的太阳能电池是一种受到广泛关注的新型太阳能电池。根据钙钛矿太阳能电池结构的不同将其分为四类,综述了钙钛矿太阳能电池的研究现状和最新进展。详细介绍了各类钙钛矿太阳能电池的结构和性能,分析总结了其优缺点。最后展望了钙钛矿太阳能电池未来的发展趋势。     

CH3NH3PbI3钙钛矿太阳电池晶粒尺寸及光电性能调控

钙钛矿薄膜的晶粒尺寸对器件性能影响很大。采用湿润性不同的空穴传输层以及不同浓度的CH3NH3I（MAI）溶液,使用热退火和溶剂气氛退火的方法制备出CH3NH3PbI3薄膜及相应电池。测量了不同制备条件的钙钛矿薄膜的X射线衍射、扫描电子显微镜、光致发光谱,以及器件的电流密度-电压曲线。结果表明,溶剂气氛退火可以有效地增大薄膜的晶粒尺寸,提高器件的电流密度;较高浓度的MAI能将PbI2完全转化为CH3NH3PbI3,增大晶粒尺寸;不湿润的功函数更高的空穴传输层有利于电池效率的提高。制备了最高效率为13.3%的CH3NH3PbI3钙钛矿电池,为制备更大晶粒的钙钛矿薄膜与更高效率的钙钛矿太阳电池奠定了基础。     

PTPD/Alq_3器件ETL厚度对发光和复合的影响

以新型的空穴传输材料三苯基二胺衍生物聚合(PTPD)制成了氧化铟锡(ITO)/PTPD/(Alq3)(8-羟基喹啉铝)/Mg:Ag异质结发光器件,考察了器件发光性能随Alq3电子传输层(ETL)厚度变化的规律,研究了聚合物/小分子异质结发光器件的电场对载流子复合区域的影响。基于能带理论和隧穿理论认为,这是由于器件上电场的重新分布和电场作用下载流子输运及隧穿势垒作用的综合结果。