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。     

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.     

钙钛矿太阳电池溶剂工程的动力学阐述

光伏领域的研究者们在不断探索可以用于高效太阳能转换的新材料.研究每种新型光伏材料的主要目的是通过简单的制造工艺和较低的生产成本来实现更高的能量产出.新兴的钙钛矿材料也在竞争行列之中.通过不同的化学计量调控和工艺改进,钙钛矿太阳电池在过去的几年中实现了最高的光电转换效率,这一技术已经成为未来能量转换材料的有力候选者.到目...     

钙钛矿太阳电池廉价新材料有望面世

正廉价的空穴传输材料的提出和利用降低了钙钛矿电池的成本,提高了电池的稳定性,为钙钛矿太阳电池的大规模生产提供了技术借鉴。随着钙钛矿太阳电池技术的发展,目前其最高光电转换效率已超过15%,高于新一代薄膜太阳电池的效     

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.     

钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的研究进展

钙钛矿太阳能电池具有工艺简单、可弯曲、应用前景广阔等优点。从2009年出现起,至今其效率从3.8%提高到了22%以上,引起了研究者的广泛关注。介绍了钙钛矿太阳能电池的基本结构和工作原理,概述了钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的研究进展,着重介绍了无机空穴传输材料的研究进展。最后展望了钙钛矿太阳能电池未来的发展与商业化应用。     

钙钛矿太阳电池的理论性能研究进展

钙钛矿太阳电池近年来发展迅速,其电池最高转换效率已突破22%,有望成为改变现有光伏产业格局的重要新型太阳电池。理论分析钙钛矿太阳电池内部机理是进一步提高电池性能的重要基础。主要介绍了现阶段研究者对钙钛矿太阳电池的不同结构、不同功能层之间的电学参数、最优尺寸等方面的最新理论研究进展。同时针对电池的稳定性,介绍了目前各研究者对新型空穴传输层材料的探索。还对钙钛矿吸光层的电学性质做了理论分析,为进一步提高电池的性能提供了参考。     

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.     

L-精氨酸掺杂钙钛矿太阳电池性能研究

钙钛矿太阳电池以其优异的性能和发展潜力而成为新能源领域研究热点, 但仍然存在缺陷密度大、稳定性差等不足。本研究通过实验对比多种常见氨基酸的掺杂效果后, 将小分子有机物L-精氨酸引入钙钛矿前驱体溶液, 并通过二元两步法制备钙钛矿太阳电池。L-精氨酸掺杂提升了器件的光电性能, 光电效率由18.81%提升到21.86%。L-精氨酸通过降低钙钛矿层缺陷密度(由4.83×10¹⁶ cm^-3降低到3.45×10¹⁶ cm^-3), 减少了载流子非辐射复合, 延长了载流子的平均寿命, 且钙钛矿晶粒尺寸增大、晶界减少、薄膜吸光能力增强且稳定性提升, 迟滞效应得到抑制。这是由于L-精氨酸的多种基团与钙钛矿材料作用钝化了缺陷造成的。本研究为钙钛矿太阳电池的性能优化提供了一种借鉴方法。     

钙钛矿太阳电池廉价新材料有望面世

正廉价的空穴传输材料的提出和利用降低了钙钛矿电池的成本,提高了电池的稳定性,为钙钛矿太阳电池的大规模生产提供了技术借鉴。随着钙钛矿太阳电池技术的发展,目前其最高光电转换效率已超过15%,高于新一代薄膜太阳电池的效率。但是,目前报道的钙钛矿太阳电池所采用的电荷传输材料都是有机聚合物,大大增加了成本。为解决这一问题,美国圣母大学研究人员在研究钙钛矿太阳电池技术时,首次提出了利用廉价的性能优异的碘化铜(CuI)无机空穴传输材料替代常用的价格昂贵的有机空穴传输聚合物材料(spiro—OMeTAD)。     

基于专利视角的钙钛矿太阳电池发展研究

2021年全国两会期间,碳达峰、碳中和成为热词,各界呼吁加快新能源技术发展与推广。近几年,钙钛矿太阳电池(PSC)作为一种新兴的太阳能技术受到了广泛关注。本文以德温特创新索引数据库为基础,利用专利分析方法从时间分布、地理分布、专利权人分布和技术分布等方面对PSC专利进行研究。结果表明,2013年起PSC专利申请数量加速上升,进入成长期;PSC技术主要来源国家有中国、美国、韩国和日本等,专利受理较为活跃的地区有美国、中国和欧洲等;中国专利申请以科研机构和新能源企业为主,韩国以科研机构为主导,日本以大企业为主导,其他国家和地区专利申请人较为分散;PSC研发热点包括太阳电池电极、半导体材料和关键加工工艺等。     

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.     

有机-无机杂化体异质结太阳电池研究现状

有机-无机杂化体异质结太阳电池以无机半导体纳米晶作为电子受体,共轭聚合物作为电子给体,是近年来的一个研究热点。在设计上,有机-无机杂化材料兼具有机材料的柔性、结构多样性、易加工和无机材料载流子迁移率高、稳定性好的优势,具有良好的发展前景。介绍了有机-无机杂化体异质结太阳电池的结构、工作原理,从共轭聚合物、无机半导体纳米材料以及电池制备工艺3个方面综述了近年来国内外研究现状,主要包括有机-无机杂化体异质结太阳电池中常用共轭聚合物结构、带隙,无机纳米晶种类、形貌、表面改性以及有源层厚度、形貌调控等内容。着重介绍了基于CdSe、TiO2、PbS类纳米晶的太阳电池。最后讨论了有机-无机杂化体异质结太阳电池目前存在的问题和发展方向。     

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。     

L-3-(4-吡啶基)-丙氨酸钝化钙钛矿太阳电池界面缺陷

近年来钙钛矿材料因其优异的光电性能而成为光伏领域的研究热点, 但调控钙钛矿太阳电池内界面缺陷仍是亟需解决的关键问题之一。本研究在溶液两步法制备钙钛矿光吸收层的过程中引入有机小分子添加剂(L-3-(4吡啶基)-丙氨酸(L-3-(4-pyridyl)-alanine, (PLA))。测试结果显示引入PLA可提高器件的各光电性能参数, 含PLA器件的最优能量转换效率为21.53%, 而参照器件为20.10%。进一步研究表明引入PLA可延长荧光寿命, 降低器件的陷阱态密度(从5.59×10¹⁶cm^-3降至3.40×10¹⁶cm^-3), 促进界面电荷抽取, 抑制载流子复合。器件性能的提升是由于PLA促进PbI₂在钙钛矿薄膜晶界处富集及PLA在界面处锚定起到了钝化缺陷的作用。本研究可以为进一步调控钙钛矿太阳电池的缺陷提供借鉴。     

基于全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的光电性能研究

钙钛矿太阳能电池具有制作工艺简单和光电转换效率高等优点,成为光伏领域研究的热点。而全无机钙钛矿太阳能材料CsPbBr₃具有较强的稳定性,是具有竞争力的钙钛矿光吸收材料。主要利用SCAPS-1D软件构建了FTO/TiO₂/CsPbBr₃/Cu₂ZnSnS₄(CZTS)/Ag平面异质结结构。研究了全无机钙钛矿材料CsPbBr₃厚度和带隙对钙钛矿太阳能电池的影响。