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。     

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.     

半透明钙钛矿及叠层太阳电池中的透明电极研究综述

钙钛矿太阳电池由于具有独特的光电性能及制造工艺简单、低成本等特点而引起人们极大的关注。在钙钛矿太阳电池出现后的短短几年之内,其效率取得了突飞猛进的发展。在这个过程中,半透明钙钛矿太阳电池由于应用潜力巨大也受到越来越多的关注。特别是其与传统的硅电池或者铜铟镓硒电池组成的叠层太阳电池,由于其能够更加合理地利用太阳光谱而被认为是提升太阳电池光电转换效率的一条有效途径。到目前为止,半透明钙钛矿太阳电池的最高效率已达17.9%,叠层太阳电池的最高效率已达25.5%。顶部透明电极是半透明钙钛矿及叠层太阳电池的关键研究内容之一。对半透明钙钛矿及叠层太阳电池来说,理想的顶部透明电极应具有高透过率、低电阻、良好的化学稳定性以及能够在低温下制备等特点。截至目前,多种透明电极已经被应用于半透明钙钛矿及叠层太阳电池中,包括银纳米线、碳纳米管、超薄金属、石墨烯、导电聚合物以及透明导电氧化物等。银纳米线透明电极的光电性能良好,但稳定性较差,易与钙钛矿中的卤离子反应导致器件恶化,且在空气中易被氧化和腐蚀。超薄金属电极往往不能同时具有较高的导电性和光学透过率,需要引入合适的缓冲层来促使其均匀生长,但同样存在稳定性较差的问题。碳基透明电极的稳定性很强,但是其光电性能有待提高。透明导电氧化物具有良好的光电性能和稳定性,但往往采用溅射的方式制备,在溅射的过程中容易损伤钙钛矿活性层,需要引入合适的缓冲层。本文归纳了应用于半透明钙钛矿及叠层太阳电池中的透明电极的研究进展,分别对透明电极的种类、光电性能、制备工艺进行了系统的介绍,对比了各种透明电极光电性能及制备工艺的优缺点,分析了它们在研究中面临的问题并展望了其发展前景,以期为应用于半透明钙钛矿及叠层太阳电池的透明电极研究提供有益的参考。     

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.     

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     

全钙钛矿叠层太阳能电池的发展与展望（英文）

目前,进一步提高太阳能电池的光电转换效率,降低其度电成本,是实现“双碳”目标的必行之路.全钙钛矿叠层太阳能电池兼备光电转换效率高和成本低廉的优势,近几年取得了巨大的发展,在国际上备受关注,是一种新兴的光伏技术.在展现出巨大潜力的同时,全钙钛矿叠层太阳能电池也面临着多方面的挑战.本文综述了近年来全钙钛矿叠层太阳能电池在宽带隙子电池、窄带隙子电池和隧穿结方面的研究进展,展望了全钙钛矿叠层太阳能电池在效率提升、稳定性改善以及大面积制备等方面的未来发展方向.     

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。     

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。     

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.     

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。     

Metal halide perovskite: a game-changer for photovoltaics and solar devices via a tandem design

Multi-junction tandem design has been proven to be an effective means to further improve the efficiency of solar cells. However, its share in the photovoltaics market at present is tiny, since the most efficient tandem device comprises III-V semiconductors, which entail the use of expensive fabrication processes. The advent of perovskite solar cells, which have revitalized the PV field with their unprecedented pace of development, promises to address this bottleneck. Perovskite materials could not only serve as the top subcell absorber for commercial solar cells including Si and copper indium gallium selenide, but could work efficiently as bottom subcells owing to highly tuneable bandgaps which extend down to the range of ~1.2 to 1.5 eV. The highest-efficiency perovskite tandem to date was achieved by pairing a perovskite top cell with a Si bottom cell in a four-terminal configuration, yielding 26.4%. This review gives an overview of recent progress on the main tandem structures, and describes the detailed design improvements that have resulted in new record efficiencies. Ultimately, commercialization of these tandem solar cells relies on the scalability of perovskite technology. We, therefore, highlight the development of large-scale tandems and approaches to produce perovskite modules. We also point out the critical aspects that will require further effort and provide guidelines for future developments. The potential obstacles that will hamper the commercialization of perovskite tandems, if not adequately addressed, namely device stability and toxicity, are then critically examined. Finally, the substantial opportunities that perovskite materials open up for other solar devices with a tandem configuration are mentioned, which are attracting increasing attention.     

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。     

Historical Analysis of High-Efficiency,Large-Area Solar Cells: Toward Upscaling of Perovskite Solar Cells

The status and problems of upscaling research on perovskite solar cells, which must be addressed for commercialization efforts to be successful, are investigated. An 804 cm² perovskite solar module has been reported with 17.9% efficiency, which is significantly lower than the champion perovskite solar cell efficiency of 25.2% reported for a 0.09 cm² aperture area. For the realization of upscaling high-quality perovskite solar cells, the upscaling and development history of conventional silicon, copper indium gallium sulfur/selenide and CdTe solar cells, which are already commercialized with modules of sizes up to ≈25 000 cm², are reviewed. GaAs, organic, dye-sensitized solar cells and perovskite/silicon tandem solar cells are also reviewed. The similarities of the operating mechanisms between the various solar cells and the origin of different development pathway are investigated, and the ideal upscaling direction of perovskite solar cells is subsequently proposed. It is believed that lessons learned from the historical analysis of various solar cells provide a fundamental diagnosis of relative and absolute development status of perovskite solar cells. The unique perspective proposed here can pave the way toward the upscaling of perovskite solar cells.     

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。     

Novel Types of Dye-Sensitized and Perovskite-Based Tandem Solar Cells with a Common Counter Electrode

Novel types of tandem solar cells (TSC) based on dye-sensitized (DSC) and perovskite (PSC) solar cells including DSC/DSC and DSC/PSC configurations with a common counter electrode were fabricated and investigated. The measurements of PV parameters for tandem solar cells under AM1.5 light intensity conditions have shown that the highest power conversion efficiency (PCE) of 14.5% was obtained for the DSC/DSC tandem configuration. At the same time, investigations of DSC/PSC tandem solar cells demonstrated the prospective benefits of this tandem system for obtaining high PCE values.     

低维钙钛矿:兼具高效率和稳定性的新型太阳能电池光吸收层候选材料

使用有机无机杂化钙钛矿材料作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池自进入人们的视野以来,其制备工艺和器件结构不断得到优化,短短几年内效率取得了非常可观的增长。与此同时,这种基于三维钙钛矿材料的电池的缺点也越来越突出,尤其是材料的不稳定性,严重阻碍了其发展。低维钙钛矿材料具有有机胺层与无机层(金属卤化物钙钛矿晶体)之间相互交替的低维(层状)结构,其中被有机胺隔开的独立钙钛矿层中八面体的层数n越小,钙钛矿越接近二维结构。相比传统三维钙钛矿结构,低维钙钛矿材料应用于光伏器件具有两大优势:(1)耐湿性、光热稳定性大大增强;(2)可以通过改变n和插入的有机胺的种类来实现光学及电学性质的可调性。然而,低维钙钛矿具有较大的光学带隙,有机胺的引入降低了载流子迁移率,导致低维钙钛矿电池的效率明显低于三维钙钛矿电池。因此,近三年来除研究钙钛矿层数对材料性质和器件性能的影响外,研究者们主要从选择合适的有机胺和优化薄膜制备工艺方面不断尝试,并取得了丰硕的成果,在充分发挥低维钙钛矿稳定性优势的同时大幅提升了器件效率。目前,低维钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已由2014年的4.37%跃升至13.7%。在较高效率的低维钙钛矿太阳能电池中已取得成功应用的有机胺类包括苯乙胺(PEA)、正丁胺(n-BA)、异丁胺(iso-BA)、聚乙烯亚胺(PEI)等。其中PEA应用得最早;n-BA是运用在目前为止最高效的低维钙钛矿电池中的有机胺;而PEI插层形成的低维钙钛矿拥有相对更小的光学带隙和更高的耐湿性,但载流子的传输会受到更大的限制。低维钙钛矿薄膜的制备起初主要采用简单的一步旋涂法,但此法所得的低维钙钛矿平行于基底生长,器件效率很低。近两年的研究工作将基底预热、浸泡、反溶剂滴加等手段引入到钙钛矿旋涂工艺中,实现了低维钙钛矿优先垂直基底生长,为突破低效率瓶颈提供了可能。此外,以三维钙钛矿为基础,以有机胺为添加剂,制得的二维和三维混合的钙钛矿结构,也可以实现器件效率和稳定性的双提升。本文归纳了低维钙钛矿光伏器件的研究进展,分别对低维钙钛矿的分子结构、插入的有机胺的选择、钙钛矿薄膜的制备方法等进行介绍,分析了低维钙钛矿太阳能电池面临的问题并展望其前景,以期为制备稳定和环境友好的新型钙钛矿太阳能电池提供参考。     

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。     

基于能带工程制备氧化镍基底的高效锡-铅共混钙钛矿太阳能电池

钙钛矿叠层太阳能电池因为具有超过肖克利-奎伊瑟效率极限的潜力而备受关注.窄带隙锡-铅(Sn-Pb)共混钙钛矿太阳能电池(PSCs)在钙钛矿叠层太阳能电池的构建中起着关键作用.制备稳定性好、可低温处理的空穴输送层是构建高效Sn-Pb钙钛矿太阳能电池和钙钛矿叠层太阳能电池的关键.在此,我们开发了一种室温处理的纳米晶体氧化镍...     

Progress in Materials Development for the Rapid Efficiency Advancement of Perovskite Solar Cells

The efficiency of perovskite solar cells (PSCs) has undergone rapid advancement due to great progress in materials development over the past decade and is under extensive study. Despite the significant challenges (e.g., recombination and hysteresis), both the single‐junction and tandem cells have gradually approached the theoretical efficiency limit. Herein, an overview is given of how passivation and crystallization reduce recombination and thus improve the device performance; how the materials of dominant layers (hole transporting layer (HTL), electron transporting layer (ETL), and absorber layer) affect the quality and optoelectronic properties of single‐junction PSCs; and how the materials development contributes to rapid efficiency enhancement of perovskite/Si tandem devices with monolithic and mechanically stacked configurations. The interface optimization, novel materials development, mixture strategy, and bandgap tuning are reviewed and analyzed. This is a review of the major factors determining efficiency, and how further improvements can be made on the performance of PSCs.