复合钙钛矿太阳能电池电荷传输层材料研究进展

有机无机复合钙钛矿太阳能电池因具有适合的载流子扩散长度而成为备受关注的有望获得高效率的光伏器件。复合钙钛矿材料本身不含贵金属元素,可以采用液相法或物理气相法低温制备,成本低廉,但目前应用最多的电子传输层材料TiO2需400~500℃煅烧,与柔性基底及低温制备技术适应性差;空穴传输层材料SpiroOMeTAD合成工艺复杂,价格高昂,限制了复合钙钛矿太阳能电池的开发应用。开发和研究导电性好、成本低、稳定性好的电子和空穴传输层材料是复合钙钛矿太阳能电池研究中的一个非常重要的方面。综述了复合钙钛矿太阳能电池中电荷传输层材料的研究进展及发展方向。电子传输层材料方面通过对TiO2的改性以及与石墨烯的复合,采用ZnO、石墨烯或PCBM作为电子传输层材料,以与柔性基底及低温制备技术相适应。空穴传输层材料方面,采用其它低成本、导电性高的有机p型半导体替代spiro-OMeTAD;采用无机空穴传输层材料以避免有机空穴传输层材料的老化问题,提高电池的长期稳定性;利用复合钙钛矿材料兼作吸收层与空穴传输层,制备无空穴传输层材料结构电池以降低成本,提高稳定性。     

空穴传输材料在高效钙钛矿太阳能电池中的发展演变

钙钛矿太阳能电池(PSCs)转换效率已从2009年的3.8%上升到2017年的22.7%,其快速的发展可能使光伏工业进入革命新阶段。空穴传输材料(HTM)是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,开发和设计导电性好、成本低、稳定性好的空穴传输层材料对钙钛矿太阳能电池的研究显得非常重要。本文将近几年应用于钙钛矿太阳能电池中较高效的空穴传输材料归纳为有机小分子类、有机聚合物类和无机材料类,同时也介绍了无空穴传输层的钙钛矿电池。详细评述了基于各类空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池的光电性能及稳定性,重点讨论了HOMO能级、空穴迁移率、添加剂的掺杂等因素对钙钛矿太阳能电池的影响。最后指出了空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势。     

钙钛矿太阳能电池的研究进展

钙钛矿太阳能电池由纳米晶致密层、钙钛矿型光活性层CH₃NH₃PbX₃ (X= Cl、Br、I)、空穴传输层及对电极组成。其中光活性层吸光材料的种类及其成膜技术、空穴传输层材料类型及结构设计是影响钙钛矿太阳能电池光电性能的重要因素。本文结合钙钛矿太阳能电池近年来的最新研究进展, 对影响器件光电性能的关键因素: 光吸收层、空穴传输层、工艺参数以及结构设计等进行综述, 同时展望了钙钛矿太阳能电池未来的发展趋势。     

以ZnO纳米棒阵列为电子传输层的无空穴层有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池

近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速,其光电转化效率(PCE)已提升至23.3%,成为当今太阳能电池领域无可争议的研究焦点。研究发现,PSCs结构组成与性质对光电性能影响显著。其中,电子传输层的形貌结构不仅影响钙钛矿晶体的成长,同时也决定了电子扩散系数和电子寿命。本工作将ZnO纳米棒阵列(Nanorods array,NRAs)作为电子传输层,应用于无空穴传输层的基于碳对电极的杂化钙钛矿太阳能电池中。通过水热法制备了不同长度的ZnO NRAs,经测试发现,对应的钙钛矿电池的PCE随ZnO NRAs长度的增加呈先升高后下降的趋势,当ZnO NRAs长度为454 nm时,PCE最优为6.18%。     

无机电荷传输层在有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中的应用及研究进展

近年来,基于有机-无机杂化钙钛矿材料为光活性层构建的太阳能电池由于具有直接带隙、吸光系数高、激子束缚能低、激子和载流子扩散距离长,以及成本低、制备工艺简单、光电转换率高、易于实现大面积柔性器件等优点,而成为当今新型光伏技术中一颗耀眼的新星。在钙钛矿太阳能电池中,电荷传输层在提高光电转换效率、稳定性及寿命等方面扮演着非常重要的角色,其中无机电荷传输层因具有载流子迁移率高、稳定性好、制备工艺简单等优势越来越受到人们的关注。本文总结了无机电荷传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用,详细介绍了各种无机电子/空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。     

钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状

简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史,解释了钙钛矿太阳能电池本质上是固态染料敏化太阳能电池。介绍了钙钛矿太阳能电池的微观发电机理,结合钙钛矿太阳能电池的能级图分析讨论了钙钛矿与电子传输层和空穴传输层的能级匹配。分析总结了钙钛矿太阳能电池的光伏技术参数,包括光生电流密度、开路电压、填充因子、能量转换效率以及光伏性能的稳定性。钙钛矿太阳能电池的能量转换效率、短路电流密度和开路电压均已超过非晶硅薄膜太阳能电池,填充因子与非晶硅薄膜太阳能电池很接近。钙钛矿太阳能电池有希望实现产业化而成为下一代薄膜太阳能电池。指出了钙钛矿太阳能电池大规模市场应用在制造技术上的瓶颈即空穴传输层的造价昂贵,并综述了解决该瓶颈的最新研究工作。     

埋底界面修饰对钙钛矿太阳能电池的影响

经过十多年的发展,钙钛矿太阳能电池（PSCs）迅速实现了能量转换效率（PCE）从3.8%提高到25.7%的突破,在新一代光伏产业中具有显著的竞争力。钙钛矿太阳能电池的蓬勃发展不仅源于钙钛矿材料具有高光吸收系数、优异的载流子迁移率和可调节的直接带隙,还源于其简便且成本低廉的制造工艺。但是钙钛矿电池内部的缺陷问题,特别是钙钛矿层与底层界面处的缺陷是限制钙钛矿电池效率与稳定性进一步提升的一个瓶颈。通过有效的界面修饰,一方面可以提高钙钛矿的效率,另一方面可以提高器件的稳定性。本文从界面工程对钙钛矿性能的影响出发,着重介绍了埋底界面的修饰工作对钙钛矿电池效率与稳定性的影响,包含电子传输层（ETL）/钙钛矿界面与空穴传输层（HTL）/钙钛矿界面这两部分,通过对这两类埋底界面的有效改性修饰,器件的效率与稳定性显著提高。通过对比分析了各种材料与实验方法对钙钛矿器件整体性能和稳定性的影响,探索了一条有效改善器件性能的路径。最后,本文还对钙钛矿太阳能电池的前景进行了展望。     

钙钛矿太阳能电池中NiOx空穴传输层的研究进展

半导体氧化镍（NiO_x）价格便宜、空穴迁移率高、化学稳定性好且可低温制备,由其作为空穴传输层（HTL）制备的反式钙钛矿太阳能电池极具市场应用前景。NiO_x HTL的制备与优化对电池器件的性能至关重要。系统介绍了钙钛矿太阳能电池中NiO_x薄膜的制备工艺及其研究进展。阐述了O₂-plasma、紫外、表面钝化等后处理方式对NiO_x薄膜的缺陷态、表面化学状态以及材料功函数的调控影响。重点综述了掺杂（过渡金属、碱金属、稀土元素掺杂和元素共掺杂）对NiO_x薄膜光学和电学性能以及器件光电性能的影响。最后对NiO_x基钙钛矿太阳能电池的未来发展方向进行了展望。     

基于氧化石墨烯空穴传输层的平面异质结钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池中传统空穴传输层Spiro-OMeTAD存在昂贵、易污染环境且制备困难等缺点,本工作采用氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作为空穴传输层,研究了不同浓度GO溶液制备的衬底对器件光电性能的影响.首先,采用旋涂法制备了GO薄膜,通过对分散液浓度的控制获得了不同厚度的GO衬底.其次,制备了结构为ITO/GO/CH3 NH3 PbI3/PCBM/Ag的平面型器件,对不同GO衬底的器件的光电性能进行表征及对比分析.研究表明:GO衬底缺陷会抑制CH3 NH3 PbI3晶粒的择优取向生长,形成可诱导CH3 NH3 PbI3晶粒产生横向聚集的籽晶,从而改善钙钛矿薄膜的成膜性,并增大钙钛矿晶粒尺寸.由浓度为0.25 mg/mL的分散液制备的GO薄膜衬底上生长的钙钛矿晶粒尺寸最大为900 nm.此外,该浓度对应的GO衬底上制备的钙钛矿薄膜的光致发光相对强度峰值为2000,电荷转移效率相对最高,为52.8％.由该衬底制备的GO基钙钛矿太阳能电池的光电转化效率最高可提升至8.69％.     

碳材料在钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池具有材料成本低廉、生产工艺简单、光电转换效率高等优点,发展前景十分光明。碳材料因其价格低廉、高导电性、疏水性和化学稳定性等特点,被应用在钙钛矿太阳能电池的各个组成部分,用于提高电池性能和降低成本。本文根据应用在钙钛矿太阳能电池中的碳材料的维数进行分类,分别介绍了零维的C60、碳量子点和石墨烯量子点,一维的碳纳米管,二维的石墨烯及其衍生物、石墨炔和三维的石墨等在钙钛矿太阳能电池中的应用,对于将来实现钙钛矿太阳能电池的低成本商业化和大规模制造具有重要意义。     

TiO2 Electron Transport Bilayer for Highly Efficient Planar Perovskite Solar Cell

In planar perovskite solar cells, it is vital to engineer the extraction and recombination of electron–hole pairs at the electron transport layer/perovskite interface for obtaining high performance. This study reports a novel titanium oxide (TiO₂) bilayer with different Fermi energy levels by combing atomic layer deposition and spin‐coating technique. Energy band alignments of TiO₂ bilayer can be modulated by controlling the deposition order of layers. The TiO₂ bilayer based perovskite solar cells are highly efficient in carrier extraction, recombination suppression, and defect passivation, and thus demonstrate champion efficiencies up to 16.5%, presenting almost 50% enhancement compared to the TiO₂ single layer based counterparts. The results suggest that the bilayer with type II band alignment as electron transport layers provides an efficient approach for constructing high‐performance planar perovskite solar cells.     

SnO2: A Wonderful Electron Transport Layer for Perovskite Solar Cells

The highest power conversion efficiency of perovskite solar cells is beyond 22%. Charge transport layers are found to be critical for device performance and stability. A traditional electron transport layer (ETL), such as TiO₂, is not very efficient for charge extraction at the interface, especially in planar structure. In addition, the devices using TiO₂ suffer from serious degradation under ultraviolet illumination. SnO₂ owns a better band alignment with the perovskite absorption layer and high electron mobility, which is helpful for electron extraction. In this Review, recent progresses in efficient and stable perovskite solar cells using SnO₂ as ETL are summarized.     

SnO2退火温度对钙钛矿太阳能电池性能的影响

电子传输层是钙钛矿太阳能电池的关键部分, 起到阻挡空穴、传输电子和减少电子空穴复合的作用。本研究采用低温溶液法制备SnO₂薄膜作为钙钛矿电池的电子传输层, 研究SnO₂的退火温度对电子传输层微观形貌、物理性能以及钙钛矿太阳能电池性能的影响。结果表明: 当退火温度为60、90、120和240 ℃时, SnO₂薄膜表面存在较多的孔隙; 而退火温度为150、180和210 ℃时, 薄膜表面孔隙较少。在实验温度下, 制备的SnO₂薄膜为四方相, FTO玻璃上涂覆SnO₂薄膜后其透过率要优于空白FTO玻璃的透过率。当SnO₂退火温度为180 ℃时, 薄膜的电子迁移率最高, 钙钛矿电池具有最佳的传输电阻和复合电阻, 所得电池的性能最优, 其光电转换效率为17.28%, 开路电压为1.09 V, 短路电流为20.91 mA/cm², 填充因子为75.91%。     

Efficient,Hysteresis‐Free,and Stable Perovskite Solar Cells with ZnO as Electron‐Transport Layer: Effect of Surface Passivation

The power conversion efficiency of perovskite solar cells (PSCs) has ascended from 3.8% to 22.1% in recent years. ZnO has been well‐documented as an excellent electron‐transport material. However, the poor chemical compatibility between ZnO and organo‐metal halide perovskite makes it highly challenging to obtain highly efficient and stable PSCs using ZnO as the electron‐transport layer. It is demonstrated in this work that the surface passivation of ZnO by a thin layer of MgO and protonated ethanolamine (EA) readily makes ZnO as a very promising electron‐transporting material for creating hysteresis‐free, efficient, and stable PSCs. Systematic studies in this work reveal several important roles of the modification: (i) MgO inhibits the interfacial charge recombination, and thus enhances cell performance and stability; (ii) the protonated EA promotes the effective electron transport from perovskite to ZnO, further fully eliminating PSCs hysteresis; (iii) the modification makes ZnO compatible with perovskite, nicely resolving the instability of ZnO/perovskite interface. With all these findings, PSCs with the best efficiency up to 21.1% and no hysteresis are successfully fabricated. PSCs stable in air for more than 300 h are achieved when graphene is used to further encapsulate the cells.     

To Be Higher and Stronger—Metal Oxide Electron Transport Materials for Perovskite Solar Cells

Organometallic mixed halide perovskite solar cells (PSCs) have emerged as a promising photovoltaic technology with increasingly improved device efficiency exceeding 24%. Charge transport layers, especially electron transport layers (ETLs), are verified to play a vital role in device performance and stability. Recently, metal oxides (MOs) have been widely studied as ETLs for high‐performance PSCs due to their excellent electronic properties, superb versatility, and great stability. This Review briefly discusses the development of PSCs' architecture and outlines the requirements for MO ETLs. Additionally, recent progress of MO ETLs from preparation to optimization for efficient PSCs is systematically summarized and highlighted to associate the versatility of MO ETLs with the performance of devices. Finally, a summary and prospectives for the future development of MO ETLs toward practical application of high‐performance PSCs are drawn.     

柔性染料敏化太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池关键电极材料研究进展

柔性太阳能电池具有轻便、可弯曲的优点,可用于可穿戴设备等器件的即时充电,具有广阔的应用前景,受到持续广泛的关注。柔性太阳能电池制备中的关键在于基材以及与之相关的电极材料的制备。本文综述了柔性染料敏化太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池近几年的发展情况,着重介绍了柔性染料敏化太阳能电池光阳极、对电极以及柔性钙钛矿太阳能电池的底电极和电子传输层。结果发现高温烧结目前仍是制备高效染料敏化太阳能电池光阳极不可避免的方法,而对电极则不受这一限制并且已经有多种材料的效率超过了高温烧结的铂。柔性钙钛矿太阳能电池的研究重点是用其他材料代替底电极中柔性较差的ITO以及高温烧结的电子传输材料TiO₂,并且都取得显著成效。在此基础上,展望了柔性染料敏化太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池未来的发展方向。     

碳纳米管和二甲基亚砜对钙钛矿太阳电池中PEDOT:PSS空穴传输层的协同影响

聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)是平面结构钙钛矿太阳电池中空穴传输层的典型材料, 为了改善其导电性能以及促进后续钙钛矿层的生长, 本文将碳纳米管(CNTs)和二甲基亚砜(DMSO)同时引入PEDOT:PSS进行共修饰。结果表明: CNTs和DMSO在CNT-DMSO-PEDOT:PSS共修饰膜中展现了优异的协同效应。均匀贯穿于基体且几近网格状的CNTs具有促进后续钙钛矿层生长及降低共修饰膜方块电阻的功能; DMSO扮演着加强共修饰膜的导电能力及控制CNTs流失的角色。因此, 与单修饰膜相比, 共修饰膜不仅能更有效地传输电荷, 而且其表面生长的钙钛矿层晶粒尺寸更大, 覆盖率更高。此外, 共修饰膜在可见光范围内仍然保持优异的透光率, 550 nm波长处的透光率为88.8%。组装成器件后, 共修饰膜的光电转换效率(PCE)为5.75%, 远高于CNTs和DMSO单修饰膜及纯PEDOT:PSS膜, 后三者的PCE分别为3.01%、2.03%和1.30%。     

Self‐Assembly of Perovskite for Fabrication of Semitransparent Perovskite Solar Cells

This work reports on the preparation of semitransparent perovskite solar cells. The cells transparency is achieved through a unique wet deposition technique that creates perovskite grids with various dimensions. The perovskite grid is deposited on a mesoporous TiO₂ layer, followed by hole transport material deposition and evaporation of a semitransparent gold film. Control of the transparency of the solar cells is achieved by changing the perovskite solution concentration and the mesh openings. The semitransparent cells demonstrate 20–70% transparency with a power conversion efficiency of 5% at 20% transparency. This is the first demonstration of the possibility to create a controlled perovskite pattern using a direct mesh‐assisted assembly deposition method for fabrication of a semitransparent perovskite‐based solar cell.