基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池研究进展

作为太阳能电池的光吸收剂,有机金属卤化物钙钛矿材料不仅具有高效的光吸收能力和载流子迁移率,还具有独特的双极性特征,能同时传输电子和空穴,使其成为优异的光伏材料,掀起了基于钙钛矿材料太阳能电池的研究热潮。介绍了近几年来基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池的发展情况,总结了有机金属卤化物钙钛矿材料的结构和特性,对目前几类典型的钙钛矿太阳能电池进行了讨论,并展望了全固态钙钛矿太阳能电池的产业化应用前景。     

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。     

二维卤化物钙钛矿太阳能电池稳定性和效率的研究进展

为了实现绿色可持续发展,降低CO₂的排放量,大力发展和利用光伏等清洁能源技术已成为未来能源发展的新趋势。最近,以有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池为代表的新一代光伏电池具有成本低、轻薄、制造简单等特点,符合未来发展的需求而备受关注。有机-无机卤化物钙钛矿材料是带隙可调的直接带隙半导体,具有较低的激子结合能、较长的载流子寿命和扩散长度以及较高的缺陷容忍度等优点,目前该类电池器件最高效率已经超过25%。但材料自身的不稳定性以及对水、热、氧、紫外光等环境因素的敏感已经成为限制其进一步发展的首要问题。而二维卤化物钙钛矿以其超高的湿度稳定性引起了各国研究者的注意,然而二维卤化物钙矿电池的效率与传统三维卤化物钙钛矿电池相比,还存在较大的差距。因此,在保持其良好稳定性的前提下提升电池的效率,是二维钙钛矿电池研究面临的关键问题。本文主要围绕二维钙钛矿的结构和制备方法讨论,针对稳定性和效率问题展开了讨论,致力于为发展制备出高效、稳定的二维卤化物钙钛矿太阳能电池提供指导。     

钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展及模组产业化趋势

有机无机杂化钙钛矿材料具有优异的光电特性,在光伏、显示和传感领域均获得了广泛关注。近年来,钙钛矿太阳能电池技术发展迅速,在效率提升和面积放大方面不断取得突破,但钙钛矿材料和器件的稳定性问题一直没能得到根本性的解决,严重制约了钙钛矿光伏器件的实用性能及商业化推广进程。钙钛矿太阳能电池的不稳定性来源于器件中钙钛矿层、电荷传输材料和电极材料的失效,失效原因主要包括光照、水分、温度和氧气等环境因素,因此深入理解各因素对钙钛矿太阳能电池稳定性的作用机理至关重要。此外,与晶硅和其他薄膜电池相比,钙钛矿太阳能电池在材料性能、器件结构等方面都有较大差别。目前晶硅电池和其他薄膜电池的稳定性评价方法和测试手段对钙钛矿太阳能电池不能完全适用,为了使不同机构间钙钛矿太阳能电池稳定性的测试结果可以对比,需要统一稳定性测试标准。本文总结了钙钛矿材料及光伏器件稳定性的影响因素,剖析了光照、水分、温度和氧气等环境因素对钙钛矿器件稳定性的作用机理,并对提升钙钛矿太阳能电池稳定性的方法进行了综述。最后分析了钙钛矿太阳能电池稳定性的评价方法和测试手段,并对钙钛矿太阳能电池的未来发展方向进行了预测,以期为钙钛矿太阳能电池商业...     

钙钛矿太阳能电池:从高效率到稳定性

钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)由于制备工艺简单、价格便宜、转换效率高、可制备柔性器件等优点引起广泛关注。近年来,钙钛矿太阳能电池的转换效率不断被刷新,迅速实现了对多晶硅太阳能电池的超越,使其具有巨大的商业潜力。然而,稳定性成为阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的一大问题。介绍了钙钛矿太阳能电池的结构,综述了钙钛矿太阳能电池所取得的研究进展,总结了获得高效率钙钛矿太阳能电池的方法,重点分析了提高钙钛矿太阳能电池稳定性的策略,并指出钙钛矿太阳能电池的发展方向。     

有机电子传输材料在反式钙钛矿太阳能电池中的研究现状

近年来,反式结构的钙钛矿太阳能电池凭借制备工艺简单、可低温成膜、迟滞效应低、适合与传统太阳能电池结合制备叠层器件等优点,受到了人们广泛的关注,经过几年的发展,反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已从3.9%提升到25.37%。其中电子传输层作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,在提取和运输载流子、阻挡空穴、调节界面能级结构和抑制电荷复合等方面起着关键性的作用。一些有机材料(富勒烯及其衍生物、苝二酰亚胺、萘二酰亚胺等)凭借容易合成和纯化、能级可调、电子迁移率高、溶解性好、化学/热稳定性良好等优势,已经广泛应用于反式钙钛矿太阳能电池。本文主要介绍了不同有机电子传输材料在反式钙钛矿太阳能电池中的研究现状,还介绍了电子传输层掺杂和界面修饰两种提升器件性能的改性手段,旨在为开发全新的有机电子传输材料提供基础性的理论指导。     

钙钛矿太阳能电池的研究进展

钙钛矿太阳能电池自2009年被提出以来取得了迅速的发展,其性能已超过了多晶硅太阳能电池。目前,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已达到20.8%。但是它面临着稳定性差的问题,这严重阻碍了其商业化进程。本文将总结近年来钙钛矿太阳能电池取得的部分研究进展和存在的问题,讨论提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率和稳定性的途径,并对未来发展的方向进行了展望。     

有机–无机共添加增强柔性钙钛矿太阳能电池机械弯曲及环境稳定性能

近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅速,其光电转换效率(PowerConversionEfficiency,PCE)已经提高到26.1%,但是柔性钙钛矿太阳能电池(FlexiblePerovskiteSolarCells,F-PSCs)的机械弯曲和环境稳定性仍然是其商业化的主要障碍。本研究通过添加琼脂糖(Agarose, AG)以改善薄膜的质量和结晶性能,系统探究了AG对钙钛矿的作用机理,组装成的F-PSCs的PCE和机械弯曲及环境稳定性能。研究发现当AG添加浓度达到最优值3 mmol/L时,薄膜表面变得更为致密平滑,钙钛矿结晶度和吸光度增加。此时器件的陷阱态密度降到最低,电荷传输电阻低至2191?,光电性能达到最佳,PCE由15.17%提升至17.30%。进一步引入TiO2纳米颗粒(0.75mmol/L),与AG(3 mmol/L)共同作用,可以提供刚性骨架结构,增强钙钛矿层的机械性能和环境稳定性。循环弯曲1500次(半径为3mm)后,AG/TiO2共添加器件可保持初始PCE的84.73%,远高于空白器件的9.32%;在空气中放置49d后,该器件仍可保持初始PCE的83.27%,优于空白器...     

钙钛矿太阳能电池材料的研究进展

钙钛矿太阳能电池的研究在近5年内迅速发展,已经成为非常有活力的研究领域,在较短的时间内电池的效率得到了显著的提升。钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料的研究对于提高电池的效率有着重要的意义。本文综述了近年来在钙钛矿层制备方法、新材料的合成等方面存在的主要问题和研究进展。对各种制备方法的特点及改进优化进行了详细的介绍,并分析了新材料合成的必要性和所面临的问题。最后,指出了在降低钙钛矿毒性、大面积制备钙钛矿太阳能电池,以及降低成本等方面的研究前景,为今后高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的研究提供方向。     

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。     

高分子PVP添加剂对钙钛矿太阳电池稳定性的提升

作为一类新型薄膜太阳能电池, 近年来钙钛矿太阳电池的发展十分迅速, 其效率已接近商业化硅基太阳能电池, 但是钙钛矿薄膜在空气中稳定性较差, 严重限制了其进一步的商业化应用。本研究通过在钙钛矿薄膜中添加聚4-乙烯吡啶(PVP)来增强钙钛矿薄膜在空气中的稳定性。通过形貌、结构及性能测试, 发现相比于未添加PVP的钙钛矿薄膜, 添加PVP的钙钛矿薄膜形貌更均匀致密。添加0.4wt% PVP将钙钛矿太阳电池的光电效率从6.09%提升到13.07%, 而且, 存放在相对湿度超过50%的空气中, 其电池效率衰减为一半的时间由原来的3 d延长到3 w, 但是过多的PVP添加量会导致PbI₂与CH₃NH₃I反应不完全。添加PVP工艺进一步优化后, 有望用于大面积、高稳定性的钙钛矿薄膜的制备。     

湿度对钙钛矿太阳能电池性能及其稳定性的影响

本文在不同湿度的空气中采用两步旋涂法制备钙钛矿太阳能电池并对电池进行稳定性测试,系统地研究了湿度对电池性能及其稳定性的影响。研究结果表明:随着制备环境湿度的增大,PbI_2薄膜与钙钛矿薄膜覆盖率下降,导致电池吸光性能和光电转换效率的降低;将电池置于不同湿度的空气中30天后,湿度越大,电池效率下降越快,且电池稳定性的降低主要是由于钙钛矿发生了分解。     

Pb–Sn–Cu Ternary Organometallic Halide Perovskite Solar Cells

Exploiting organic/inorganic hybrid perovskite solar cells (PSCs) with reduced Pb content is very important for developing environment‐friendly photovoltaics. Utilizing of Pb–Sn alloying perovskite is considered as an efficient route to reduce the risk of ecosystem pollution. However, the trade‐off between device performance and Sn substitution ratio due to the instability of Sn²⁺ is a current dilemma. Here, for the first time, the highly efficient Pb–Sn–Cu ternary PSCs are reported by partial replacing of PbI₂ with SnI₂ and CuBr₂. Sn²⁺ substitution results in a redshift of the absorption onset, whereas worsens the film quality. Interestingly, Cu²⁺ introduction can passivate the trap sites at the crystal boundaries of Pb–Sn perovskites effectively. Consequently, a power conversion efficiency as high as 21.08% in inverted planar Pb–Sn–Cu ternary PSCs is approached. The finding opens a new route toward the fabrication of high efficiency Pb–Sn alloying perovskite solar cells by Cu²⁺ passivation.     

Divalent Anionic Doping in Perovskite Solar Cells for Enhanced Chemical Stability

The chemical stabilities of hybrid perovskite materials demand further improvement toward long‐term and large‐scale photovoltaic applications. Herein, the enhanced chemical stability of CH₃NH₃PbI₃ is reported by doping the divalent anion Se^2? in the form of PbSe in precursor solutions to enhance the hydrogen‐bonding‐like interactions between the organic cations and the inorganic framework. As a result, in 100% humidity at 40 °C, the 10% w/w PbSe‐doped CH₃NH₃PbI₃ films exhibited >140‐fold stability improvement over pristine CH₃NH₃PbI₃ films. As the PbSe‐doped CH₃NH₃PbI₃ films maintained the perovskite structure, a top efficiency of 10.4% with 70% retention after 700 h aging in ambient air is achieved with an unencapsulated 10% w/w PbSe:MAPbI₃‐based cell. As a bonus, the incorporated Se^2? also effectively suppresses iodine diffusion, leading to enhanced chemical stability of the silver electrodes.     

Detrimental Effect of Unreacted PbI2 on the Long-Term Stability of Perovskite Solar Cells

Excess/unreacted lead iodide (PbI₂) has been commonly used in perovskite films for the state-of-the-art solar cell applications. However, an understanding of intrinsic degradation mechanisms of perovskite solar cells (PSCs) containing unreacted PbI₂ has been still insufficient and, therefore, needs to be clarified for better operational durability. Here, it is shown that degradation of PSCs is hastened by unreacted PbI₂ crystals under continuous light illumination. Unreacted PbI₂ undergoes photodecomposition under illumination, resulting in the formation of lead and iodine in films. Thus, this photodecomposition of PbI₂ is one of the main reasons for accelerated device degradation. Therefore, this work reveals that carefully controlling the formation of unreacted PbI₂ crystals in perovskite films is very important to improve device operational stability for diverse opto-electronic applications in the future.     

Methylammonium Chloride as a Double-Edged Sword for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

The additive engineering strategy promotes the efficiency of solution-processed perovskite solar cells (PSCs) over 25%. However, compositional heterogeneity and structural disorders occur in perovskite films with the addition of specific additives, making it imperative to understand the detrimental impact of additives on film quality and device performance. In this work, the double-edged sword effects of the methylammonium chloride (MACl) additive on the properties of methylammonium lead mixed-halide perovskite (MAPbI_3-xCl_x ) films and PSCs are demonstrated. MAPbI_3-xCl_x films suffer from undesirable morphology transition during annealing, and its impacts on the film quality including morphology, optical properties, structure, and defect evolution are systematically investigated, as well as the power conversion efficiency (PCE) evolution for related PSCs. The FAX (FA = formamidinium, X = I, Br, and Ac) post-treatment strategy is developed to inhibit the morphology transition and suppress defects by compensating for the loss of the organic components, a champion PCE of 21.49% with an impressive open-circuit voltage of 1.17 V is obtained, and remains over 95% of the initial efficiency after storing over 1200 hours. This study elucidates that understanding the additive-induced detrimental effects in halide perovskites is critical to achieve the efficient and stable PSCs.