富勒烯在新型太阳能电池中的应用

新型太阳能电池包括有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和量子点太阳能电池等,是一类十分有前景的光伏器件,目前有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的能量转换效率分别超过了19%和25.6%。富勒烯材料具有较高的电子迁移率和良好的电子特性,被广泛应用于有机太阳能电池活性层、界面层,钙钛矿太阳能电池活性层和中间层等。在有机太阳能电池中,富勒烯材料作为活性层受体,可以提高器件电子传输能力;作为界面修饰层,可以有效降低接触电阻,抑制载流子的复合。在钙钛矿太阳能电池中,富勒烯材料作为活性层添加剂能钝化钙钛矿缺陷,抑制迟滞效应;作为中间层能优化界面形貌,促进电荷的提取与输运。本文综述了富勒烯材料在各个组成部分中的研究进展,并展望了富勒烯材料在各个组成部分中的发展前景,在此基础上,提出了未来的研究方向。     

倒置钙钛矿太阳能电池的空穴传输层的研究进展

倒置钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有器件结构简单、吸光系数高、迟滞效应小、良好的缺陷容忍性等优点,受到了广泛的关注。但倒置器件光电转换效率(PCE)尚有待提高,究其原因是空穴传输层(HTL)和钙钛矿层界面处的能量损失表现出相对较小的开路电压。文章综述了包括有机聚合物、无机物、尖晶石氧化物等作为空穴传输材料的相关研究进展,进一步分析了通过调节电极/空穴传输层能级使之与钙钛矿价带匹配,及通过界面修饰促进器件对载流子的注入与收集,从而提高光电转换效率的研究现状。对提高倒置钙钛矿太阳能电池性能的研究具有一定的指导意义,最后对倒置器件的应用前景进行了展望。     

高效稳定钙钛矿太阳能电池中非晶和缺陷表面的重构（英文）

钙钛矿太阳能电池的表界面性质是影响器件效率和稳定性的关键性因素.本文中,我们首次发现空穴传输层中的添加剂4-叔丁基吡啶(tBP)可以将钙钛矿非晶态和缺陷表面层进行重结晶,并且钝化晶粒表面的缺陷位点.该重构可使钙钛矿的表面功函数增大,降低了钙钛矿与空穴传输层之间的界面能级失配,提高了器件的光电压.进一步地,我们通过化学键合强度设计,开发了更有效的空穴传输层添加剂4-叔丁基哌啶(tBPp),它比tBP具有与钙钛矿表面缺陷位点更强的相互作用.得益于吸附能的增强,经tBPp重构的钙钛矿表面缺陷态密度降低,且在热、光、湿度的作用下稳定性更好.基于tBPp作为添加剂的钙钛矿电池最高效率达到了24.2%.在氮气气氛中进行最大功率点跟踪测试,未封装的设备在连续光照超过1200小时后几乎可以保持其初始效率.本工作全面揭示了空穴传输层中添加剂对于钙钛矿电池的效率和稳定性的重要性,并提供了系统和基础性理解.     

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。     

钙钛矿太阳能电池中NiOx空穴传输层的研究进展

半导体氧化镍（NiO_x）价格便宜、空穴迁移率高、化学稳定性好且可低温制备,由其作为空穴传输层（HTL）制备的反式钙钛矿太阳能电池极具市场应用前景。NiO_x HTL的制备与优化对电池器件的性能至关重要。系统介绍了钙钛矿太阳能电池中NiO_x薄膜的制备工艺及其研究进展。阐述了O₂-plasma、紫外、表面钝化等后处理方式对NiO_x薄膜的缺陷态、表面化学状态以及材料功函数的调控影响。重点综述了掺杂（过渡金属、碱金属、稀土元素掺杂和元素共掺杂）对NiO_x薄膜光学和电学性能以及器件光电性能的影响。最后对NiO_x基钙钛矿太阳能电池的未来发展方向进行了展望。     

CuSCN作为石墨烯/硅异质结太阳能电池无机界面层的数值模拟

界面工程是改善石墨烯/硅异质结太阳能电池性能的有效方法之一,但目前常用的界面材料存在价格高、稳定性差等问题.本实验采用AFORS-HET软件对石墨烯/硅太阳能电池进行数值模拟,并引入无机界面材料CuSCN实现降低电池成本、优化器件性能和稳定性的目的,研究了CuSCN界面层的作用、CuSCN层的空穴迁移率和CuSCN/n-Si的价带补偿对太阳能电池性能的影响.结果表明,引入CuSCN界面层和增加CuSCN层的空穴迁移率均有利于提高器件的光伏性能.当CuSCN/n-Si界面的价带补偿大于-0.1 eV时,CuSCN层可作为电子阻挡-空穴传输层;并且当CuSCN/n-Si界面的价带补偿为0.2 eV时,所构建的石墨烯/CuSCN/硅异质结太阳能电池模型取得了25.8％的最佳光电转换效率.本研究有助于揭示影响石墨烯/CuSCN/硅异质结太阳能电池性能的各种因素,为制备低成本、高效率的石墨烯/硅太阳能电池提供了有效途径.     

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。     

铅卤钙钛矿太阳能电池界面工程的近期进展

铅卤钙钛矿太阳能电池因其优良的光电转换效率以及相对低廉的制备成本而受到广泛关注。然而铅卤钙钛矿太阳能电池的长期稳定性限制了其商业化的进程。界面非辐射复合导致铅卤钙钛矿太阳能电池产生能量损失、影响器件稳定性,是造成器件性能恶化的主要原因。界面工程作为一种有效的策略被用于抑制界面非辐射复合,在制备高效稳定的铅卤钙钛矿太阳能电池方面取得了切实的成效。本文阐述了铅卤钙钛矿太阳能电池的工作原理以及界面上的非辐射复合过程,分析了界面非辐射复合产生的原因,总结了近期n-i-p正式结构铅卤钙钛矿太阳能电池中界面工程的研究进展,讨论了其作用机制。基于目前铅卤钙钛矿太阳能电池中的界面工程发展现状,对其未来的发展方向进行了展望。     

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。     

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...     

空穴传输材料在高效钙钛矿太阳能电池中的发展演变

钙钛矿太阳能电池(PSCs)转换效率已从2009年的3.8%上升到2017年的22.7%,其快速的发展可能使光伏工业进入革命新阶段。空穴传输材料(HTM)是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,开发和设计导电性好、成本低、稳定性好的空穴传输层材料对钙钛矿太阳能电池的研究显得非常重要。本文将近几年应用于钙钛矿太阳能电池中较高效的空穴传输材料归纳为有机小分子类、有机聚合物类和无机材料类,同时也介绍了无空穴传输层的钙钛矿电池。详细评述了基于各类空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池的光电性能及稳定性,重点讨论了HOMO能级、空穴迁移率、添加剂的掺杂等因素对钙钛矿太阳能电池的影响。最后指出了空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势。     

钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状

简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史,解释了钙钛矿太阳能电池本质上是固态染料敏化太阳能电池。介绍了钙钛矿太阳能电池的微观发电机理,结合钙钛矿太阳能电池的能级图分析讨论了钙钛矿与电子传输层和空穴传输层的能级匹配。分析总结了钙钛矿太阳能电池的光伏技术参数,包括光生电流密度、开路电压、填充因子、能量转换效率以及光伏性能的稳定性。钙钛矿太阳能电池的能量转换效率、短路电流密度和开路电压均已超过非晶硅薄膜太阳能电池,填充因子与非晶硅薄膜太阳能电池很接近。钙钛矿太阳能电池有希望实现产业化而成为下一代薄膜太阳能电池。指出了钙钛矿太阳能电池大规模市场应用在制造技术上的瓶颈即空穴传输层的造价昂贵,并综述了解决该瓶颈的最新研究工作。     

上转换发光纳米材料对钙钛矿太阳能电池迟滞效应和离子迁移动力学的影响

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题,离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles,UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层,系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明:钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)最佳(16.27%),而且迟滞因子(Hysteresis Factor,HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程,证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用:一方面UCNP可以形成阻隔层,阻碍离子累积;另一方面,UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处,阻碍离子迁移,使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制,阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞...     

二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的研究进展

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源,可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来,第三代新型薄膜太阳能电池,如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等,凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而,新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点,已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此,本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上,阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展,并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极,来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”,有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力,从而提升器件的光电性能和稳定性。最后,结合目前的研究进展,对二维MXene材料在新型薄...     

钙钛矿太阳能电池的研究进展

钙钛矿太阳能电池由纳米晶致密层、钙钛矿型光活性层CH₃NH₃PbX₃ (X= Cl、Br、I)、空穴传输层及对电极组成。其中光活性层吸光材料的种类及其成膜技术、空穴传输层材料类型及结构设计是影响钙钛矿太阳能电池光电性能的重要因素。本文结合钙钛矿太阳能电池近年来的最新研究进展, 对影响器件光电性能的关键因素: 光吸收层、空穴传输层、工艺参数以及结构设计等进行综述, 同时展望了钙钛矿太阳能电池未来的发展趋势。     

无机电荷传输层在有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中的应用及研究进展

近年来,基于有机-无机杂化钙钛矿材料为光活性层构建的太阳能电池由于具有直接带隙、吸光系数高、激子束缚能低、激子和载流子扩散距离长,以及成本低、制备工艺简单、光电转换率高、易于实现大面积柔性器件等优点,而成为当今新型光伏技术中一颗耀眼的新星。在钙钛矿太阳能电池中,电荷传输层在提高光电转换效率、稳定性及寿命等方面扮演着非常重要的角色,其中无机电荷传输层因具有载流子迁移率高、稳定性好、制备工艺简单等优势越来越受到人们的关注。本文总结了无机电荷传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用,详细介绍了各种无机电子/空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。     

应变工程对钙钛矿材料光电性质和稳定性的调制

卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电性质成为近几年的研究热点之一。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在短短几年内已超过25%,钙钛矿材料在光电二极管、光电探测器、激光器等光电器件中也表现出良好的应用前景。钙钛矿材料及器件性能和稳定性的进一步提高是研究人员重点关注的问题。各种改善钙钛矿材料的光电性质和稳定性的策略也被不断提出,如薄膜结晶控制、界面改性/缺陷钝化、组件工程、添加剂工程等。近年来,应变工程被发现可有效改善钙钛矿材料的光电性质和器件性能,为钙钛矿材料器件性能的优化提供了新的研究视角。本文从应力应变的基本概念入手,介绍了如何测量和评估钙钛矿材料的残余应力和应变、残余应力和应变如何影响钙钛矿材料的器件性能,以及总结了对钙钛矿材料施加应力和应变的策略,最后本文对应变工程改善钙钛矿材料的器件性能这一新的研究视角做出展望。     

柔性染料敏化太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池关键电极材料研究进展

柔性太阳能电池具有轻便、可弯曲的优点,可用于可穿戴设备等器件的即时充电,具有广阔的应用前景,受到持续广泛的关注。柔性太阳能电池制备中的关键在于基材以及与之相关的电极材料的制备。本文综述了柔性染料敏化太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池近几年的发展情况,着重介绍了柔性染料敏化太阳能电池光阳极、对电极以及柔性钙钛矿太阳能电池的底电极和电子传输层。结果发现高温烧结目前仍是制备高效染料敏化太阳能电池光阳极不可避免的方法,而对电极则不受这一限制并且已经有多种材料的效率超过了高温烧结的铂。柔性钙钛矿太阳能电池的研究重点是用其他材料代替底电极中柔性较差的ITO以及高温烧结的电子传输材料TiO₂,并且都取得显著成效。在此基础上,展望了柔性染料敏化太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池未来的发展方向。     

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。     

Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池研究进展

以有机材料作为空穴传输层的Si/有机杂化太阳能电池由于其器件结构与制备工艺的不断优化,在短期内实现了理论探究与合成应用的快速增长。但有机材料具有的导电性低和复合界面间稳定性差等缺点,严重影响了复合器件的光电转化效率和使用寿命,阻碍了异质结太阳能电池的技术发展与市场应用。在Si/有机杂化太阳能电池领域,聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)是目前为止效果最佳的有机半导体。PEDOT∶PSS具有高导电性和高透过率等特点,使其成为一种理想的有机空穴传输层材料,并在异质结太阳能电池技术发展和工业应用中脱颖而出。利用PEDOT∶PSS的高导电性能可实现空穴的有效传输,其较高的透过性降低了P-N结生成过程中的寄生吸收,并且在制备中免去了传统硅基太阳能电池所需的高温环节,有效地降低了实际生产成本。近五年来,为降低PEDOT∶PSS中绝缘的PSS对电子传输和表面复合性的影响,大量学者进行了掺杂改性和界面设计的研究工作,有效降低了绝缘性PSS带来的影响,充分发挥了PEDOT高透性和高导电率的优势,优化表面陷光性和器件稳定性,实现了光电转化效率从5.09%至17.4%的大幅度跳跃。本文从Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池的结构与工作原理出发,重点介绍了Si材料和PEDOT∶PSS有机物的表面修饰、PEDOT∶PSS的掺杂改性、界面氧化层改性和对嵌入式微电网电极改造手段及它们对整体器件性能提升的影响等工作,归纳并分析了Si/PEDOT∶PSS杂化太阳能电池的最新研究进展,展望了太阳能电池的技术研发和理论研究,对未来Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池的实验室技术研发与工业化生产应用具有一定参考意义。