高效钙钛矿太阳电池及其叠层电池研究进展

钙钛矿太阳电池及其叠层电池发展迅速,成为当前光伏领域的研究热点.有机无机卤化钙钛矿材料具有吸收系数高、带隙可调、制备工艺简单等优点,其单结太阳电池实验室效率从2009年的3.8％迅速提升到25.2％,两端钙钛矿/硅叠层太阳电池效率达到29.15％.钙钛矿太阳电池种类丰富,依据器件结构主要分为介孔型钙钛矿太阳电池和平面型(nip结构和pin结构)钙钛矿太阳电池.大量研究工作通过钝化工程、添加剂工程、能级匹配工程、组分工程等先进技术获得高质量的钙钛矿吸收层和光电性能好、低成本、无污染的电荷传输层,提升电荷提取效率,使得每种器件结构均能实现22％以上的超高效率.但常规钙钛矿材料光、湿、热稳定性差,部分研究通过改善吸收层的成分,研发出准二维钙钛矿太阳电池与全无机钙钛矿太阳电池,更加贴合实际应用.考虑到不同的应用场景,钙钛矿太阳电池又进一步分化出柔性钙钛矿太阳电池与半透明钙钛矿太阳电池,透明导电电极的研发成为该领域的重要突破方向.基于钙钛矿的叠层电池中,高效钙钛矿/硅叠层电池是研究重点,通过优化陷光策略和添加剂工程等方法降低光学损失与电学损失,能够在材料成本增长不大的情况下显著提升电池效率,极具市场竞争力.本文主要阐述了钙钛矿太阳电池及其叠层电池的发展历史、器件种类和结构、功能层材料特性、性能优化策略,并对其面临的挑战以及发展趋势进行了总结与展望.     

宽带隙钙钛矿基二端叠层太阳电池复合层的研究进展

单结太阳电池的能量转换效率从根本上受限于Shockley-Queisser(S-Q)理论极限,二端叠层结构可同时解决单结器件中面临的光谱失配和热弛豫能量损耗问题,是突破S-Q极限最有前途的实用技术。二端叠层太阳电池中的复合层作为中间层的重要组分,为来自两侧的电子和空穴提供复合位点,避免了电荷堆积造成的开路电压损失并促进了电流流通,是实现高性能叠层器件的关键因素之一。理想的复合层应具有较高电导率以提高电荷复合速率、高光学透过率以保证后结子电池的有效光吸收、良好的化学稳定性以降低溶剂对子电池的溶解伤害以及较低的制备成本以推动叠层电池的商业化生产进程。目前已有多种材料被应用于二端叠层太阳电池中,如薄金属、透明导电氧化物、导电聚合物、氧化石墨烯等,在钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-有机、钙钛矿-晶硅叠层器件中发挥了重要作用。本文归纳了不同类型叠层太阳电池复合层的研究进展,系统介绍了复合层的种类、设计原则、制备工艺等,对比其优缺点并提出了复合层目前存在的问题和面临的挑战,为制备高效叠层电池提供了有益参考。     

钙钛矿叠层太阳电池结构与性能优化:模型预测和实验研究

随着光电性质优越的有机-无机金属卤化物钙钛矿材料的快速发展,钙钛矿太阳电池受到了众多研究者的关注,以钙钛矿太阳电池作为顶层电池的叠层电池也受到了研究者的重视。经研究发现这种叠层电池的光电转换效率理论值高于35%,并且制作成本低,生产工艺简单,从而有可能孕育出光伏器件发展的新突破。主要介绍钙钛矿叠层太阳电池的结构、工艺制备,及其性能、效率等方面的最新进展。     

高效率双结钙钛矿叠层太阳能电池研究进展

以钙钛矿电池为顶电池的叠层太阳电池发展迅速,成为太阳能光伏领域的研究热点之一。随着电池结构和制备工艺的优化,叠层电池的光电转换效率快速提升,单片钙钛矿/晶硅叠层电池的效率已达到31.3%。本综述对近年来以宽带隙钙钛矿电池作为顶子电池、晶体硅电池及其他新型中窄带隙电池(钙钛矿电池、有机电池、铜铟镓硒(CIGS)电池)作为底子电池的叠层电池的研究进展进行了系统梳理,总结了叠层电池的顶电池、中间互联层和底电池的材料、结构及光电性能等方面的关键技术及难点,希望能够为进一步提升叠层电池效率提供一些思路。并对未来低成本高效叠层太阳能电池的光学和电学优化需求做出了分析与展望。     

超薄金属透明导电膜及其应用研究进展

透明导电薄膜被广泛地应用于显示、太阳能电池、发光二极管等光电子器件。近年来,随着信息技术和新材料的不断革新,柔性电子器件在显示、能源及可穿戴等领域得以迅速发展,这对透明导电薄膜的柔性化提出了新的挑战。相比于其他类型柔性透明导电薄膜,超薄金属导电薄膜具有柔性好、导电性好、光电性能均匀、稳定性好、成本低和可大规模制备等优点,有望成为替代ITO的理想材料。超薄金属薄膜的生长和其光电特性息息相关。与常规电介质衬底相比,金属普遍具有较大的表面能,因而金属薄膜在衬底表面通常按照岛状模式生长,阈值厚度高。对薄膜厚度低于阈值厚度的金属薄膜而言,在电学特性方面,纳米团簇形貌使电子在薄膜晶界和表面被过多散射,电子迁移率受到抑制,从而导致电阻率较高。而在光学特性方面,离散的纳米团簇也会引起局域表面等离子体共振,使超薄金属薄膜的透过率曲线在特定波长处明显下降。尽管进一步增加薄膜厚度可以降低电阻率,但厚度的增加会使透过率下降。因此,金属薄膜的超薄、低阈值厚度连续生长是同时获得良好的光学和电学特性的关键。已有的降低超薄金属薄膜阈值厚度的方法包括添加氧化物缓冲层和金属种子层、表面处理、掺杂及低温沉积等。其中添加氧化物的方法因可选择材料种类丰富、制备工艺简单可控等优点,成为制备超薄金属薄膜最普遍的方法;引入金属种子层和掺杂的方法可有效提高金属薄膜的润湿性,然而,其他金属的引入会带来薄膜光学损耗的问题;表面处理的方法对薄膜光学性能的影响较小,其利用聚合物分子层的官能团与金属原子间的键合作用抑制金属原子的扩散;对温度精确控制的要求较高和设备昂贵使低温沉积法的推广面临挑战。本文概述了超薄金属透明导电薄膜的最新研究进展,归纳总结了超薄金属薄膜的生长模式、电学特性和光学特性,重点介绍了降低超薄金属薄膜阈值厚度、实现薄膜连续化生长的多种方法及原理,分析了超薄金属薄膜在太阳能电池、OLEDs、长程表面等离子体激元波导以及Low-E涂层领域的应用情况。最后讨论了超薄金属透明导电膜未来的发展方向。     

钙钛矿叠层太阳电池中电荷传输材料的研究进展（英文）

开发钙钛矿叠层太阳电池是一种可以突破单结太阳电池Shockley-Queisser极限的光伏技术.令人鼓舞的是,所有钙钛矿叠层器件,包括钙钛矿/硅、钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/铜铟镓硒和钙钛矿/有机叠层电池,都表现出比相应单结太阳电池更高的效率,显示出巨大的进一步突破的潜力.在叠层器件中,电荷传输材料是钙钛矿子电池的重要组成部分,它直接决定了器件的电荷传输和能量损失.一般来说,高导电性和透光性、良好的能级和化学稳定性是电荷传输材料叠层应用的关键.迄今为止,导电金属氧化物、有机分子、聚合物、富勒烯、自组装材料等各种电荷传输材料已被广泛应用于高效叠层电池.在本文中,我们首先总结了不同类型钙钛矿叠层电池的电荷传输材料的最新进展,详细讨论了材料的电学和光学性质及其对器件性能的影响.在此基础上,我们提出了叠层电池中电荷传输材料进一步发展所面临的挑战和展望.本综述将为不同钙钛矿叠层太阳电池的器件设计提供有效指导.     

可调的透明导电膜研究进展

简述了透明导电薄膜材料，特别是对目前研究比较活跃的透明导电氧化物（TCO）及金属基复合透明导电多层膜的发展现况和趋势：同时从选材、膜层设计、制备方法到工艺制定，研究透明导电膜光电性能诸多影响因素和规律，探讨D／M／D多层膜的微观结构与其光电性能的内在联系，以及多层膜的热稳定性和界面反应等问题，并采用电介质TiO2与金属Ag交替生成TiO2／Ag／TiO2三明治结构制备了几种具有优异光电性能的透明导电膜。经优化设计的纳米多层膜具有奇特的光电性能可调性，根据需要，用于平面显示器透明电极，太阳能电池板等的在可见光区具有高的透过率（T550≥90％）和在红外光区高的反射率（R2500≥90％），其方块电阻仅为5Ω／sq；而用于紫外固化的则在紫外固化的主峰365nm处具有高的透射率（T365≥80％），而在1600nm的红外波段反射率也超过了90％。     

共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池

全聚合物太阳电池(all-PSCs)由p-型共轭聚合物给体和n-型共轭聚合物受体共混活性层夹在ITO透明电极和金属顶电极之间所构成,除具有一般有机太阳电池器件结构简单、质量轻、可以制备成柔性和半透明器件等优点外,还具有形貌和光照稳定性好及抗弯折性能高等突出特点,最近成为有机太阳电池领域的研究热点.给体和受体光伏材料的吸...     

纳米金属氧化物在钙钛矿电池中的应用研究进展

近几年来, 钙钛矿电池发展迅速, 其单电池效率从最初的3.8%迅速提升至目前20.1%, 接近硅基太阳能电池的光电转换效率。TiO₂、ZnO、Al₂O₃等诸多无机纳米金属氧化物材料作为重要的载流子输运材料与钙钛矿生长骨架也被广泛地应用于钙钛矿电池。依据钙钛矿电池功能结构的差异, 本文分别介绍了此类材料作为钙钛矿电池中的致密层及介孔层的制备方法, 并在此基础上介绍了基于表面修饰、掺杂、复合等氧化物的改性手段调节材料理化性能与氧化物/钙钛矿界面特性, 进而改进钙钛矿电池性能的方法。并阐述了进一步提高钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点问题及展望。     

铜膜碘化法制备p型CuI薄膜及其用作空穴传输层的反型钙钛矿电池性能

γ相碘化亚铜(γ-CuI)是一种带隙为3.1 eV的p型半导体材料, 适合应用于发光二极管和太阳能电池等光电子器件。本研究利用简单的铜膜碘化法制备了CuI薄膜, 探究了碘化时间、温度及铜/碘比等生长条件对其透明导电性能的影响。在最优碘化时间(30 min)和碘化温度(120℃)下, 制备出了高透过率(可见光范围>75%)、导电性能好(电阻率4.4×10^-2 Ω·cm)的CuI薄膜。利用CuI薄膜作为空穴传输层, 组装了CuI/CH₃NH₃PbI₃/PCBM反型平面钙钛矿电池, 获得的最高光电转换效率为8.35%, 讨论了CuI薄膜透明导电性能对钙钛矿电池光电转换效率的影响机理。     

可调的透明导电膜研究进展

简述了透明导电薄膜材料,特别是对目前研究比较活跃的透明导电氧化物（TCO）及金属基复合透明导电多层膜的发展现状和趋势;同时从选材、膜层设计、制备方法到工艺制定,研究透明导电膜光电性能诸多影响因素和规律,探讨D／M／D多层膜的微观结构与其光电性能的内在联系,以及多层膜的热稳定性和界面反应等问题,并采用电介质TiO2与金属Ag交替生成TiO2／Ag／TiO2三明治结构制备了几种具有优异光电性能的透明导电膜。经优化设计的纳米多层膜具有奇特的光电性能可调性,根据需要,用于平面显示器透明电极、太阳能电池板等的在可见光区具有高的透过率（T550≥90％）和在红外光区高的反射率（R2500≥90％）,其方块电阻仅为～5Ω／sq;而用于紫外固化的则在紫外固化的主峰365 nm处具有高的透射率（T365≥80％）,而在1600 nm的红外波段反射率也超过了90％。     

直流磁控溅射制备ZAO透明导电薄膜及性能研究

运用直流磁控溅射法,采用ZAO陶瓷靶材(Al2O3相对含量2%(质量分数)),结合正交实验表通过改变制备工艺中的基片温度、溅射功率、氧流量百分比等参数,在普通玻璃衬底上制备得到ZnO∶Al(ZAO)透明导电薄膜。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、荧光分光光度计、四探针测试仪对样品的晶体结构、表面形貌、光电性能进行表征分析。通过正交分析法得出直流磁控溅射法制备ZAO薄膜的最佳组合工艺为基片温度200℃,溅射功率40W,氧流量百分比20%,退火温度400℃,获得薄膜样品最低方块电阻11Ω/□,薄膜具有最好的发光性能,适合作为薄膜太阳电池的透明导电电极。     

溅射功率对ZnO:Al薄膜光电性能的影响

采用射频磁控溅射工艺,以Al掺杂ZnO(ZAO)陶瓷靶为靶材在石英玻璃基片上制备出具有优良光电性能的ZAO透明导电薄膜,研究了溅射功率对薄膜光电性能的影响。在不同溅射功率条件下制备的ZAO薄膜具有很好的c轴择优取向。较大功率溅射有利于薄膜晶粒尺寸的增大、电阻率降低。ZAO薄膜在可见光区的透过率平均值高达90%以上,受溅射功率影响不大。在340nm-420nm波长附近ZAO薄膜透过率急剧下降,呈现明显的紫外吸收边;高的溅射功率提高了ZAO薄膜的光学带隙宽度。     

利用脉冲直流磁控溅射制备ZnO:Al薄膜的研究

利用中频脉冲直流磁控溅射法制备了平面ZnO:Al(AZO)透明导电薄膜,研究了沉积压力、衬底温度和溅射功率对AZO薄膜光电性能、薄膜稳定性的影响.结果表明:在较低沉积压力、衬底温度及溅射功率下,可获得具有低电阻率、高透过率、高稳定性的AZO薄膜.     

介质/金属/介质透明导电薄膜研究进展

介质/金属/介质(dielectric/metal/dielectric,D/M/D)多层膜既透明又导电且具有柔性,最有可能替代ITO膜,作为透明导电电极,应用于柔性显示、太阳能电池等光电器件。本文介绍D/M/D膜系的起源,分析了透明导电机理,然后,从多层膜制备参数,热处理工艺及纳米银层表面等离激元共振对多层膜光电性能的影响三个方面综述了D/M/D膜系中得到广泛研究的二氧化钛/银/二氧化钛多层膜的最新研究进展,并展望了D/M/D透明导电薄膜的研究方向。     

钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究进展与展望

钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池是以钙钛矿相有机金属卤化物作为吸光材料的薄膜太阳电池,因制备工艺简单、成本低廉、能量回报周期短以及光电转换效率高等优点而备受科学家的青睐。在钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究发展的短短5年时间内,其光电转换效率已从最初的3.8%迅速上升到20%以上,超过了非晶硅、染料敏化、有机太阳电池等新一代薄膜电池历经10多年研究的成果。为了进一步提升效率,以期获得实际应用,钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的工作机制、新材料、温和制备工艺和稳定性是研究者们最为关注的研究方向。解决这些问题,对钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池今后的发展起着指导和借鉴作用。介绍了钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的结构及其工作原理,对国内外钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的研究进行了总结和分析,指出了目前钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究的不足,并对其未来的研究提出了一些建议。     

反应等离子沉积装置的性能研究

反应等离子沉积方法具有离子轰击能量低、薄膜沉积时衬底温度低的特点,可应用于太阳电池、LED(OLED)等的高质量透明导电材料的制备,有利于获得高转换效率的太阳电池。对反应等离子沉积系统进行了研究,并在FLD08型RPD设备上,制备了掺钨透明氧化物IWO薄膜材料,获得了较好的结果。     

碳电极在钙钛矿太阳能电池中的研究进展

钙钛矿太阳能电池因具有成本低廉、制备工艺相对简单、光电转换效率高等优点而受到重点关注。为了进一步在较高的光电转换效率的基础上降低其成本,研究人员以碳替代贵金属作为电池的对电极,在不使用昂贵的空穴传输层情况下,将光电转化效率从6.64%提升到15.03%。根据碳电极在钙钛矿太阳能电池中应用的情况,介绍了碳电极的导电机理、组成结构、制备方法和应用技术,并对其应用前景进行了展望。     

铜纳米线复合透明电极的构筑及应用研究进展

铜纳米线(Cu NWs)作为透明导电层,具有良好的光透过性、导电性、柔性以及低成本等特点,受到了研究者及工业界的广泛关注。然而,Cu NWs极易被氧化,严重限制了其在光电器件中的应用。针对这一难题,研究者普遍采用构筑Cu NWs复合透明电极的方式提高其稳定性。本文综述了近年来国内外在构筑Cu NWs复合透明电极方面的研究进展,重点介绍了不同构筑方式对Cu NWs透明电极结构、光电性能和稳定性的影响,简述了Cu NWs复合透明电极的应用研究进展。最后,对Cu NWs复合透明电极的应用前景和发展方向进行了展望。     

合肥物质科学研究院应用所在研制高效稳定的2D/3D钙钛矿太阳电池方面取得新进展

<正>近期,中科院合肥物质科学研究院应用所新能源中心潘旭课题组在研究制备高效稳定的2D/3D钙钛矿太阳电池方面取得新进展。过去几年里,有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳电池的研究取得飞速发展,认证光电转换效率已达到23.7%。2D钙钛矿材料由于其相对于3D钙钛矿具有更高的稳定性而引起了广泛关注,掀起了研究热潮。然而,铵盐的本质疏水性能对电池的长期湿度稳定性有很大影响,引入长链烷基铵