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%。     

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的研究进展

可溶液加工的高效太阳电池及其活性层材料一直是全世界学术界与产业界关注与研究的热点。近年来,由于优异的光吸收特性和载流子传输能力,以及相对简单的制备方法,具有立体三维结构的有机-无机杂化钙钛矿晶体材料在太阳电池中的应用受到越来越多的关注,并在过去的两年内取得了重大的研究进展。有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的光电转化效率(PCE)纪录被不断刷新,目前已达19.3%,与无机太阳电池相当。主要从有机-无机杂化钙钛矿材料的结构与性质、有机-无机杂化钙钛矿薄膜材料的制备方法、纳米多孔载体结构和平板结构钙钛矿太阳电池、杂化钙钛矿太阳电池的稳定性4个方面,介绍了有机-无机杂化钙钛矿太阳电池近期的研究进展,并对其发展方向进行了展望。     

大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其较高的光电转换效率和较低的生产成本而备受关注.其优异的光电性能主要归因于该类钙钛矿材料的光吸收系数高、载流子迁移率高、载流子寿命长、带隙可调等物理特性;由于其可基于溶液加工法进行规模化生产,使其生产成本大幅降低,并快速成为新型薄膜太阳能电池新星.在过去十年的时间里,钙钛矿太阳能电池小面积器件(<1 cm2)的光电转换效率已经从2009年的3.8％迅速飙升至25.2％;而其小模块级组件(10～800 cm2)效率已提升至18.04％;模块级组件(>800 cm2)的光电转换效率也已经刷新到16.1％.小面积器件和模块级组件效率失配的关键因素之一是高质量、高均一性的大面积钙钛矿薄膜沉积方法的局限性.小面积器件钙钛矿成膜通常使用的是溶液旋涂法;但是,溶液旋涂法存在厚度不均匀、原料浪费严重等缺点,因而不适合用于制备大面积钙钛矿薄膜.当前,大面积钙钛矿薄膜的沉积方案处于多样化的研究当中,尚未形成稳定的工业化生产规模.迄今为止,主要报道的大面积钙钛矿薄膜的制备方法主要有:刮刀涂布法、狭缝涂布法、喷涂法、喷墨打印法、软覆盖沉积法、气相沉积法.本文归纳总结了近期大面积钙钛矿薄膜制备方法的研究进展;并对其基本原理进行分析与讨论,对比了各种大面积钙钛矿薄膜制备方法的优缺点;展望了它们在未来研究和产业化过程所面临的问题及其发展前景;旨在加深读者对大面积钙钛矿薄膜的沉积方法的理解,以期为大面积、高效率钙钛矿模组的研究与开发提供有益的参考.     

全无机CsPbBr3钙钛矿太阳电池的研究进展

自2009年第一次报道以来,有机-无机杂化钙钛矿太阳电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)从3.8％提升至25.5％,已可以与商业化的晶体硅太阳电池相媲美,引起全世界研究者的极大关注.然而,由于杂化物晶体结构中有机成分弱的化学键,器件长期稳定性受到很大的影响.近年来,用无机Cs+完全取代有机基团构成全无机卤化物钙钛矿被认为是解决太阳电池稳定性问题的有效途径.在Cs基钙钛矿之中,CsPbBr3具有最优异的耐热、耐光、耐湿性能,作为顶电池具有与晶体硅太阳电池组成长寿命叠层太阳电池的潜力.本文系统地综述了CsPbBr3 PSCs领域的研究进展,首先介绍了CsPbBr3 PSCs的发展历史及CsPbBr3的晶体结构和基本特性,随后阐述了CsPbBr3薄膜的制备方法、CsPbBr3的元素掺杂改性、器件的界面工程等方面的研究进展;最后,讨论了当前存在的问题和提高CsPbBr3 PSCs性能的未来方向,为进一步推动钙钛矿太阳电池的实用化进程提供参考.     

Fmoc-FF-OH钝化钙钛矿薄膜及其太阳能电池性能研究

有机-无机杂化钙钛矿具有高的光吸收系数、可调节的带隙以及双极性的电荷传导特性,是一种理想的光吸收材料。然而,溶液法制备的钙钛矿薄膜在表/界面上存在多种缺陷,会抑制载流子传输并引发复合。本研究选用含多官能团的氨基酸衍生物——9-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸-L-苯丙氨酸(Fmoc-FF-OH)作为添加剂来降低钙钛矿膜缺陷并抑制晶界上的载流子复合。结果表明,当Fmoc-FF-OH的浓度为0.6g·L^–1时,钙钛矿薄膜的粒径从138nm增大到210 nm,缺陷态密度从2.46×10¹⁵ cm^–3降低至2.17×10¹⁵ cm^–3。同时,钙钛矿太阳能电池也表现出最优的性能,开路电压从1.05 V提升到1.10 V,器件的光电转化效率(PCE)从15.50%提升到17.44%。在220 h的稳定性测试中,器件的光电转化效率仍能维持初始的71%。     

基于形核结晶调控的钙钛矿太阳电池印刷制造的研究进展

目的 有机–无机杂化钙钛矿太阳电池以其优异的光电转换性能和低成本溶液加工等优势受到了科研工作者和产业界人士的广泛关注,文中着眼于解决把实验室的旋涂研发工艺转换为可大规模重复生产的工艺这一直接挑战。方法 印刷制造技术具有低成本、大规模、高产率、适用于柔性基底等优点,是应对该挑战的有效手段。深入梳理和总结印刷制造中钙钛矿薄膜的形核与结晶过程,对于印刷高质量钙钛矿薄膜和实现大面积高效钙钛矿太阳电池制造至关重要。结论 分析了钙钛矿形核结晶的热力学与动力学基本理论,从钙钛矿形核结晶调控这一角度出发,对各类印刷工艺制造大面积钙钛矿薄膜及光伏器件的研究现状做出相应评价,认为“升级制备技术、创新材料体系、改善稳定性能”三步走将掀起钙钛矿产业化的新浪潮。     

基于对氯苄胺的2D/3D钙钛矿太阳能电池

三维(3D)有机–无机金属卤化物钙钛矿薄膜的表面和晶界处存在大量缺陷,容易导致载流子的非辐射复合并加快3D钙钛矿分解,进而影响钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量转换效率(PCE)及稳定性.本研究通过引入对氯苄胺阳离子,与3D钙钛矿薄膜及其表面过剩的碘化铅反应后原位形成了二维(2D)钙钛矿,实现了对3D钙钛矿薄膜表面和晶界...     

杂化钙钛矿材料在太阳电池中的应用与发展

杂化钙钛矿是近年来发展非常迅速的一类新型光电材料。自从2009年日本学者首次研究钙钛矿敏化太阳电池, 经过五年的发展, 有机铅卤化物钙钛矿太阳电池光电转换效率从最初的3.1%跃升到19.3%。本文介绍了有机铅卤化物钙钛矿的结构及其在有机/无机杂化钙钛矿太阳电池中的应用, 并从有机铅卤化物钙钛矿太阳电池的发展历程、器件结构、制备方法等方面做了总结。最后简要讨论了钙钛矿太阳电池的长期稳定性、环境问题, 并就未来发展趋势进行展望。     

钙钛矿太阳能电池界面工程优化研究

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有高能量转换效率、低能耗和低成本等优点,但PSCs界面缺陷引起的非辐射复合严重阻碍了其光电转换性能提升。本研究通过降低氧化镍空穴传输层的粒径尺寸,提高粒径均匀性,实现了光生空穴在电池界面的高效传输;并通过优化钙钛矿薄膜的反溶剂作用时间提升结晶质量,降低界面非辐射复合,改善空穴传输层和钙钛矿的界面问题,使钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)从10.11%提高到18.37%。开尔文探针力显微镜(KPFM)研究表明,界面优化后的钙钛矿薄膜在亮态下的表面接触电位差相比于暗态下增加了120.39 mV。采用压电力原子力显微镜(PFM)分析钙钛矿薄膜明暗态铁电性能,发现界面优化后的钙钛矿铁电极化变化微弱,说明优化界面有效降低了电池界面缺陷和迟滞效应。该研究结果表明,优化氧化镍空穴传输层,提高钙钛矿薄膜质量,减少了界面缺陷,降低了非辐射复合和电池迟滞效应,提高了钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。     

Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池研究进展

近年来,有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池以其优异的性能和低廉的制造成本受到了广泛关注。然而,其含有铅元素的毒性以及稳定性阻碍了进一步商业化应用。双钙钛矿材料Cs₂AgBiBr₆具有稳定性优异、毒性低、载流子寿命长和载流子有效质量小的优势,是一种颇具潜力的光伏材料,已被应用于太阳能电池并展现出良好的性能。但是Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的光电转换效率还无法与有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池相媲美,发展仍面临诸多挑战。本文首先介绍了Cs₂AgBiBr₆的晶体结构及容忍因子等结构参数;然后介绍了溶液法、反溶剂辅助成膜法、气相法、真空辅助成膜法以及喷涂法等薄膜制备工艺的进展,评述了各种薄膜制备工艺的优缺点;接着从元素掺杂、添加剂工程及界面工程(界面能级匹配和界面缺陷钝化)三方面介绍了Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的性能优化策略,结合近年来的研究进展进行了评述;最后指出Cs₂AgBiBr     

钙钛矿太阳能电池中顶电极的研究进展

继硅基太阳能电池之后,又迅速崛起了一个有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs),目前它认证的最高光电转换效率(photoelectric conversion efficiency, PCE)已经达到25.5%,被认为是最具有应用前景的新型太阳能电池,其中,顶电极是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分。主要阐述了顶电极材料的研究进展,综述了金属电极和碳电极的界面调控和改性处理,提出了金属电极和碳电极材料的优势与挑战,并对顶电极在低制造成本和长期稳定性的应用方向进行了展望。     

基于印刷技术制备钙钛矿太阳电池

近年来,钙钛矿太阳电池(Perovskite solar cells,PSCs)以其优异的光电转换性能和溶液制备成本低等优势受到了科研工作者和产业界人士的广泛关注,被认为是新一代薄膜太阳电池技术中的杰出代表。目前,钙钛矿太阳电池的光电转换效率(Power conversion efficiency,PCE)已经从2009年报道的3.8%迅速提升到现在的22.7%,达到商业化多晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等太阳电池水平。目前,溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳电池的常用方法。虽然旋涂法操作简单、成膜速度快、重复性好,然而该法缺点也很明显:(1)材料浪费严重;(2)不具备图案化功能;(3)不适用于工业化的连续生产。因此,溶液旋涂技术无法满足钙钛矿太阳电池今后大规模工业化生产所需的大面积、低成本等制造要求。从实验室小面积器件制备转变到可大面积的产业化制备以及降低钙钛矿太阳电池的生产成本,将是钙钛矿太阳电池产业化过程中的一个重要课题。在钙钛矿太阳电池的制备方法中,印刷技术因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。基于印刷工艺制备的小面积钙钛矿太阳电池效率已接近20%,大面积(10cm2)钙钛矿太阳电池效率在10%～16%之间,大面积柔性钙钛矿太阳电池效率为10%左右。然而,从实验室小器件转变到大规模工业化生产依旧存在许多问题亟待解决。例如:(1)为了加快钙钛矿材料的结晶,在钙钛矿薄膜退火过程中通常采用溶剂工程或惰性气体辅助的方式,这将导致印刷的大面积钙钛矿薄膜质量难以控制以及重复性降低;(2)退火过程中较高的退火温度会限制柔性基底和界面材料的选择;(3)钙钛矿材料本身对空气湿度敏感,需提高钙钛矿层制备过程的环境适应性,降低制备工艺本身对环境条件的限制等。基于此,完善钙钛矿太阳电池的印刷制备工艺并使其适用于工业化生产显得十分重要。本文综述了基于喷墨打印(Inkjet-printing)、喷涂(Spray-coating)、狭缝涂布(Slot-die coating)、刮涂(Doctor-blading)等印刷技术制备钙钛矿太阳电池的研究进展,并对印刷技术制备钙钛矿太阳电池的前景进行了展望。     

CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池稳定性的研究进展

有机-无机杂化钙钛矿材料中易挥发的有机成分(MA⁺,FA⁺)用高耐热性无机金属铯离子(Cs⁺)取代,用其制备的太阳能电池具有优异的热稳定性。自2016年以来,以CsPbI₂Br材料作为光活性层的无机钙钛矿太阳能电池(IPSCs)的光电转换效率(PCE)从9.84%提高到18.06%,但是IPSCs的稳定性问题仍然制约其商业化。本文总结和分析了影响CsPbI₂Br IPSCs稳定性的因素,从制备工艺、离子掺杂、界面优化等方面评述了近年来IPSCs稳定性的研究进展,并展望了CsPbI₂Br IPSCs的研究趋势和发展方向。     

醋酸铅添加剂在印刷钙钛矿太阳能电池中的应用

印刷钙钛矿太阳能电池采用无机介孔骨架包覆有机无机杂化钙钛矿材料的器件结构,制备工艺简单,原材料成本低廉,且稳定性优异.然而,在介孔骨架中均匀沉积高质量的钙钛矿材料存在一定困难.本研究通过在典型钙钛矿材料甲胺铅碘(MAPbI3)前驱液中引入醋酸铅(Pb(Ac)2)作为添加剂,加快钙钛矿晶体的成核从而改善其在介孔骨架中的生...     

基于印刷技术制备钙钛矿太阳电池

近年来,钙钛矿太阳电池(Perovskite solar cells,PSCs)以其优异的光电转换性能和溶液制备成本低等优势受到了科研工作者和产业界人士的广泛关注,被认为是新一代薄膜太阳电池技术中的杰出代表.目前,钙钛矿太阳电池的光电转换效率(Power conversion efficiency,PCE)已经从2009年报道的3.8%迅速提升到现在的22.7%,达到商业化多晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等太阳电池水平.目前,溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳电池的常用方法.虽然旋涂法操作简单、成膜速度快、重复性好,然而该法缺点也很明显:(1)材料浪费严重;(2)不具备图案化功能;(3)不适用于工业化的连续生产.因此,溶液旋涂技术无法满足钙钛矿太阳电池今后大规模工业化生产所需的大面积、低成本等制造要求.从实验室小面积器件制备转变到可大面积的产业化制备以及降低钙钛矿太阳电池的生产成本,将是钙钛矿太阳电池产业化过程中的一个重要课题.在钙钛矿太阳电池的制备方法中,印刷技术因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注.基于印刷工艺制备的小面积钙钛矿太阳电池效率已接近20%,大面积(>10 cm2)钙钛矿太阳电池效率在10%~16%之间,大面积柔性钙钛矿太阳电池效率为10%左右.然而,从实验室小器件转变到大规模工业化生产依旧存在许多问题亟待解决.例如:(1)为了加快钙钛矿材料的结晶,在钙钛矿薄膜退火过程中通常采用溶剂工程或惰性气体辅助的方式,这将导致印刷的大面积钙钛矿薄膜质量难以控制以及重复性降低;(2)退火过程中较高的退火温度会限制柔性基底和界面材料的选择;(3)钙钛矿材料本身对空气湿度敏感,需提高钙钛矿层制备过程的环境适应性,降低制备工艺本身对环境条件的限制等.基于此,完善钙钛矿太阳电池的印刷制备工艺并使其适用于工业化生产显得十分重要.本文综述了基于喷墨打印(Inkj et-printing)、喷涂(Spray-coating)、狭缝涂布(Slot-die coating)、刮涂(Doctor-blading)等印刷技术制备钙钛矿太阳电池的研究进展,并对印刷技术制备钙钛矿太阳电池的前景进行了展望.     

CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池的研究进展

近年来,钙钛矿太阳能电池因具有较好的光电性能、较低的制造成本获得了大量的关注。有机—无机杂化钙钛矿材料中不稳定的有机成分用无机金属铯离子取代制备出的无机钙钛矿材料因具有优异的热稳定性得到了研究者的青睐,其中以CsPbI₂Br为光活性层的无机钙钛矿太阳能电池具有很大的商业应用前景。本文从制备条件、离子掺杂、界面修饰等方面入手,系统地介绍了其研究进展,并展望了CsPbI₂Br无机钙钛矿太阳能电池未来的发展方向。     

长春光机所在钙钛矿单晶场效应晶体管方面的研究获得新进展

<正>近日,长春光机所郭春雷中美联合光子实验室与阿卜杜拉国王科技大学(沙特)、北卡罗来纳大学教堂山分校(美国)等单位合作在制备基于钙钛矿的场效应晶体管方面取得新进展。在过去的十年中,有机-无机杂化钙钛矿在光伏、光电探测、发光等领域的研究获得了巨大的进展。然而,利用钙钛矿材料制备经典的器件——场效应晶体管(FET)仍然存在巨大的挑战。主要原因在于晶体管中载流子在横向和界面的传输特别容易受到钙钛矿多晶薄膜晶面状态和晶粒中普遍存在的缺陷的影响。     

原子层沉积技术在新型太阳能电池中的应用

原子层沉积技术(ALD)是一项正处于发展之中、在许多领域具有巨大应用前景的新型材料制备技术,该技术在纳米结构和纳米复合结构的制备方面显示出独特的优势,在新型薄膜太阳能电池领域呈现出巨大的发展潜力和前景。首先概述了ALD技术的工作原理,简要介绍了近几年ALD技术在硅基太阳能电池和铜铟镓硒薄膜电池(CIGS)中的应用,然后重点综述了原子层沉积纳米功能薄膜在染料敏化太阳能电池(DSSCs)和有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)为代表的新型薄膜太阳能电池中的应用。最后,总结了原子层沉积功能薄膜的特点和优势,展望了ALD在新能源材料与器件领域的应用前景和发展趋势。     

杂化钙钛矿(HOC2H4NH3)2CuCl4的制备与表征

采用低温溶液法合成了新型层状有序的含有羟基的有机/无机杂化钙钛矿材料(HOC₂H₄NH₃)₂CuCl₄, 采用元素分析、红外光谱、紫外-可见光吸收光谱、X射线衍射和X射线吸收精细结构等手段对其结构与性能进行了表征。结果表明:该材料通过无机框架诱导有机组分有序排列, 形成了规则的层状结构, 有序性高。该杂化钙钛矿材料的分解温度为212℃, 电阻率为2.86×10⁶ Ω·cm, 比不含羟基杂化钙钛矿的电阻率低两个数量级。紫外-可见光吸收光谱显示285 nm左右有一归因于电子从Cl(3p)价带顶跃迁到Cu(4s)导带底而产生的吸收峰。X射线吸收精细结构谱图表明: 二维层状杂化钙钛矿晶体中的Cu²⁺与6个Cl^-形成八面体配位, Cu-Cl键长为0.191 nm, 层间距为1.099 nm。     

NiO层作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备和性能研究

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因具有光吸收强、载流子扩散长度长等优点,近年来在光伏领域吸引了广泛的关注,其中,无机NiO薄膜在电池结构中作为空穴传输层已发展成为钙钛矿电池研究的重要方向。采用溶液旋涂法制备了NiO薄膜,系统优化了不同烧结温度和不同浓度条件下NiO薄膜对钙钛矿电池性能的影响。采用扫描电镜、X射线衍射、紫外-可见分光光度计、电流-电压测试、光量子效率等方法分别观察和分析了NiO薄膜以及相应电池的光电性能。结果表明:溶液旋涂法制备的NiO薄膜具有良好的覆盖性、非常低的表面粗糙度,当制备NiO的预制溶液浓度为0.05mol/L,NiO的烧结温度为500℃时,获得了最优的电池性能,最高电池转换效率为14.62%。