合成新型氰基修饰的富勒烯衍生物降低介电失配实现高效反式钙钛矿太阳能电池（英文）

富勒烯衍生物,尤其是[1,1]苯基-C₆₁-丁酸-甲酯(PC₆₁BM),通常用作反式(p-i-n)钙钛矿太阳能电池(PVKSCs)的电子传输层和添加剂,但PC₆₁BM(3.8)的介电常数(ε_r)远小于有机无机杂化铅卤钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃ [MAPbI₃]为6.5)的介电常数,不利于激子的解离且阻碍了界面电荷的传输.本文中,我们合成了一种新的氰基功能化富勒烯,其中两个氰基通过罗丹宁连接到富勒烯上(缩写为C₆₀-Rhd-CN),并通过反溶剂法将其引入MAPbI₃活性层中来构建反式钙钛矿太阳能电池器件.引入强吸电子氰基后,C₆₀-Rhd-CN的ε_r值达到5.1,明显高于PC₆₁BM(3.8),因此可以有效降低MAPbI₃钙钛矿和富勒烯电子传输层之间的介电失配.此外,氰基能够与MAP...     

多功能材料磷酸乙醇胺修饰SnO2层实现柔性钙钛矿太阳能电池的光伏性能大幅提高(英文)

SnO₂电子传输层(ETL)、钙钛矿薄膜及它们界面中的各种缺陷导致的非辐射复合损失极大地阻碍了柔性钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能和稳定性的进一步提高.因此,迫切需要开发有效的策略来解决这些问题.在此,我们将多功能材料磷酸乙醇胺(PE)添加到SnO₂水溶胶中以抑制缺陷并制备高质量的ETL.结果表明,由于新共价键Sn–O–P的形成, PE的引入可以显著减少Sn悬挂键的数量,这有利于改善SnO₂的电学特性和获得致密的SnO₂薄膜.同时, PE分子的氨基(NH2)基团可以与钙钛矿中未配位的Pb²⁺相互作用,从而抑制SnO₂/钙钛矿界面缺陷和改善钙钛矿薄膜质量.相应地,基于SnO₂-PE复合ETL的柔性和刚性PSCs实现了优异的光电转换效率,分别为18.48%和21.61%.此外,基于SnO₂-PE的柔性PSCs呈现出良好的弯曲耐久性,在1000次弯曲循环后仍保留初始效率的90.6%.     

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。     

通过5-氨基-4-甲酰基咪唑盐酸盐提高可印刷介观钙钛矿太阳能电池的光伏性能（英文）

基于m-TiO₂/m-ZrO₂/C的无空穴可印刷介观钙钛矿太阳能电池(p-MPSCs)具有成本低廉、操作简便和稳定性优异的特点,被认为是最具商业应用潜力的新型光伏器件之一.然而,与传统PSC相比,p-MPSCs的开路电压(V_OC)损失较大,导致能量转换效率(PCE)与传统PSC存在差距.在此,我们提出了一种利用5-氨基-4甲酰胺咪唑盐酸盐(AICA)提升p-MPSCs开路电压的方法.AICA不仅可以调节钙钛矿膜的功函数,其酰胺基团和氨基还能分别钝化钙钛矿中未配位的Pb²⁺和I^-缺陷,稳定钙钛矿的结构,形成高质量钙钛矿薄膜,从而抑制缺陷诱导的非辐射复合.因此,引入AICA后p-MPSCs获得了16.68%的PCE,并且V_OC从0.88提升至0.98 V.     

通过4-磺基苯甲酸单钾盐抑制离子迁移以实现效率为22.7%的稳定钙钛矿太阳能电池（英文）

晶界处的深能级缺陷和严重的卤素离子迁移对进一步提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率以及消除迟滞现象提出了严峻的挑战.本文报道了一种大尺寸强配位的有机阴离子晶界锚定策略来抑制离子迁移并钝化薄膜缺陷.本策略通过将含有大尺寸有机阴离子的钾盐(4-磺基苯甲酸单钾盐, SAMS)加入到钙钛矿前驱液中来实现.研究表明,阴离子两端的C=O和/或S=O能够与未配位的Pb²⁺离子和/或卤化物空位之间发生强配位作用,阴离子中的–OH能够与甲脒阳离子形成氢键,以上化学作用使阴离子紧紧锚定在晶界处. SAMS不仅能够钝化浅能级缺陷,而且能够更有效地钝化深能级缺陷.该晶界锚定策略能降低钙钛矿薄膜的缺陷密度、延长载流子寿命和抑制离子迁移,提高电池的效率和稳定性以及消除迟滞效应.结果表明,基于SAMS改性的电池实现了22.7%的效率,而对照器件显示了20.3%的效率.未封装改性的器件在60℃加热老化1320小时后几乎没有发生衰减.     

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。     

Fmoc-FF-OH钝化钙钛矿薄膜及其太阳能电池性能研究

有机-无机杂化钙钛矿具有高的光吸收系数、可调节的带隙以及双极性的电荷传导特性,是一种理想的光吸收材料。然而,溶液法制备的钙钛矿薄膜在表/界面上存在多种缺陷,会抑制载流子传输并引发复合。本研究选用含多官能团的氨基酸衍生物——9-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸-L-苯丙氨酸(Fmoc-FF-OH)作为添加剂来降低钙钛矿膜缺陷并抑制晶界上的载流子复合。结果表明,当Fmoc-FF-OH的浓度为0.6g·L^–1时,钙钛矿薄膜的粒径从138nm增大到210 nm,缺陷态密度从2.46×10¹⁵ cm^–3降低至2.17×10¹⁵ cm^–3。同时,钙钛矿太阳能电池也表现出最优的性能,开路电压从1.05 V提升到1.10 V,器件的光电转化效率(PCE)从15.50%提升到17.44%。在220 h的稳定性测试中,器件的光电转化效率仍能维持初始的71%。     

利用混合溶剂实现钙钛矿材料微观结构和光电性能优化

采用纯N, N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂、纯二甲基亚砜(DMSO)溶剂以及DMSO/DMF不同体积比例混合溶剂制备钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)薄膜, 并系统研究了不同溶剂对钙钛矿薄膜微结构及光电特性的影响。结果表明, 随着DMSO在混合溶剂中比例增加, 钙钛矿薄膜平均晶粒尺寸增大, 碘化铅(PbI₂)残留量降低, 同时薄膜中有序的钙钛矿晶体所占比例呈现先增大后减小的趋势, 并且当DMSO占混合溶剂体积比为60%时达到最大。薄膜Urbach能, 载流子寿命以及PbI₂含量之间的关系表明, 微量的PbI₂可有效钝化钙钛矿薄膜的缺陷。经过优化后(DMSO占混合溶剂体积比为30%), 钙钛矿太阳电池的光电转换效率达到15.1 % (V_OC=0.99 V; J_SC=20.9 mA/cm²; FF=0.73)。     

Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池研究进展

近年来,有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池以其优异的性能和低廉的制造成本受到了广泛关注。然而,其含有铅元素的毒性以及稳定性阻碍了进一步商业化应用。双钙钛矿材料Cs₂AgBiBr₆具有稳定性优异、毒性低、载流子寿命长和载流子有效质量小的优势,是一种颇具潜力的光伏材料,已被应用于太阳能电池并展现出良好的性能。但是Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的光电转换效率还无法与有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池相媲美,发展仍面临诸多挑战。本文首先介绍了Cs₂AgBiBr₆的晶体结构及容忍因子等结构参数;然后介绍了溶液法、反溶剂辅助成膜法、气相法、真空辅助成膜法以及喷涂法等薄膜制备工艺的进展,评述了各种薄膜制备工艺的优缺点;接着从元素掺杂、添加剂工程及界面工程(界面能级匹配和界面缺陷钝化)三方面介绍了Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的性能优化策略,结合近年来的研究进展进行了评述;最后指出Cs₂AgBiBr     

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...     

高效无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池表面钝化的简便方法

近年来,基于CsPbI2Br的钙钛矿太阳能电池(PVSC)由于能在效率和稳定性之间获得良好平衡而受到越来越多的关注.通过溶液法制备的CsPbI2Br钙钛矿薄膜通常包含各种缺陷,为了获得具有高性能和良好稳定性的钙钛矿太阳能电池,这些缺陷需要被钝化.针对此问题,本文报道了一种简便的缺陷钝化策略,即通过在CsPbI2Br钙钛矿表面旋涂KF溶液来对其进行缺陷钝化.结果表明,沉积的KF大部分位于钙钛矿表面的晶界处,而钙钛矿膜的降解通常始于晶界,因此钝化后的PVSC具有更高的稳定性.稳态和时间分辨光致发光光谱均表明钙钛矿的缺陷被KF显著钝化了.最终,基于KF处理的CsPbI2Br的电池器件能量转换效率(PCE)提高到了15.01%,同时具有较大的开路电压(VOC,1.26 V).与之相比,基于CsPbI2Br的对照器件的PCE仅为14.14%,VOC只有1.18 V.     

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。     

TiO2形态对MAPbBr3太阳电池转化效率影响机制的研究

二氧化钛(TiO₂)是钙钛矿太阳电池中最常用的电子传输材料, 研究发现其形态对MAPbBr₃太阳电池的器件转化效率可产生直接影响。研究不同形态TiO₂对钙钛矿太阳电池转化效率的影响机制对进一步认识此类太阳电池的工作机理十分必要。本工作使用旋涂法制备了不同形态的TiO₂, 而后采用反溶剂室温结晶的方法在TiO₂基底上进一步制备MAPbBr₃(MA = CH₃NH₃)薄膜, 并通过X射线光电子能谱(XPS)详细研究了TiO₂与MAPbBr₃接触界面的能级位置关系。研究结果表明: 不同形态的TiO₂ 在与钙钛矿接触后形成的导带差异不同; 不同的导带能级差可直接影响MAPbBr₃钙钛矿电池中电子的传递与收集, 进而影响电池的转化效率。     

定向控制介孔PbI2支架制备效率达22.7%的钙钛矿太阳能电池(英文)

顺序沉积技术为钙钛矿薄膜的制造提供了一种有前途的策略.然而, PbI₂薄膜的高度结晶和致密形态会影响钙钛矿薄膜的质量和再现性.本文将烟酰胺(NTM)衍生物作为简单有效的多功能配体引入到PbI₂前体溶液中,获得了方向可控的介孔PbI₂支架,这源于强烈的化学相互作用和溶剂的加速挥发.本文还制备了位于钙钛矿薄膜晶界处并具有NTM衍生物的纳米带PbI₂晶体,其可以钝化缺陷并提高载流子寿命.基于6-(三氟甲基)烟酰胺(6-F-NTM)调制薄膜的钙钛矿太阳能电池的功率转换效率可提高到22.7%,在2000小时老化后,其功率转换效率为原始值的98.8%.本工作为调节PbI₂薄膜的结晶和控制过量的PbI₂结构以实现高效钙钛矿太阳能电池提供了新思路.     

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。     

单分子液晶添加剂在甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池中的应用

溶液制备的钙钛矿薄膜通常含有大量晶界,会降低薄膜结晶质量,导致缺陷复合,不利于提升器件性能。因此，制备更高结晶质量的薄膜来进一步提升能量转化效率是钙钛矿太阳能电池面临的挑战。液晶分子具有强的自组装能力和形貌调节能力,本研究引入一种向列型单分子液晶4-氰基-4′-戊基联苯(5CB)作为甲脒铅碘(CH(NH₂)₂PbI₃, FAPbI₃)钙钛矿前驱液的添加剂,可以增大钙钛矿晶粒尺寸,减少晶界。此外, 5CB的氰基能钝化钙钛矿晶粒表面未配位的Pb²⁺,降低缺陷态密度,从而抑制非辐射复合。经过优化,添加0.2 mg/mL 5CB的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率达到21.27%,开路电压为1.086 V,电流密度为24.17 mA/cm²,填充因子为80.96%。本研究证明使用单分子液晶作为添加剂是提升FAPbI₃钙钛矿电池性能的有效策略。     

钒微合金钢中α-Fe/V4C3界面结构与稳定性的第一性原理计算

为了探讨α-Fe/V₄C₃的界面稳定性,利用第一性原理平面波赝势方法优化(100)_α-Fe/(100)_V4C3三种不同原子堆积序列(Fe-on-C,Fe-on-V和Bridge)的界面构型。通过界面分离功分析α-Fe/V₄C₃界面的结构稳定性,计算三种构型的界面分离功分别为4.29,1.43,2.70 eV,分离功越大表明界面稳定性越强,在α-Fe中析出的V₄C₃主要以Fe-on-C构型存在,其界面稳定性最强。通过态密度,差分电荷密度和电子局域化函数研究α-Fe/V₄C₃的电子结构性质。结果表明：在Fe-on-C构型中,界面处Fe原子存在电荷贫化区,丢失的电荷转移到界面处,由于C原子具有强电负性,在界面处形成较强的混合离子/共价键,并且Fe和C原子的键合作用明显强于Fe和V原子。通过总态密度和分波态密度发现,Fe-d轨道与C-p轨道在－4.5~－2.5 eV的区域内发生电子轨道杂化,形成Fe—C共价键。     

构建具有微妙的原子级紧密接触的ZnIn2S4/Sv-MoS2光催化剂:增强界面相互作用以改善可见光下的光催化产氢性能(英文)

催化剂与助催化剂之间的低电荷分离效率严重限制了光催化性能.催化剂与助催化剂之间的强界面相互作用可以提高电荷分离效率.通过引入界面化学键增强组分间的界面相互作用是提高光催化性能的有效手段之一.本文合成了ZnIn₂S₄ (ZIS)/Sv-MoS₂光催化剂,ZIS中的S原子与Sv-MoS₂中未配位Mo原子之间的键合作用形成了界面Mo-S键,这极大地提高了ZIS的光催化活性.采用不同的NaBH₄蚀刻时间制备了MoS₂-xh.优化后的ZIS/MoS_2-4h复合材料的产氢速率为7.6 mmol g^-1 h^-1,是原ZIS (1.6 mmol g^-1 h^-1)的4.75倍,是ZIS/MoS₂(3.7 mmol g-1 h^-1)的2.05倍.非凡的光催化活性可归因于光生电子在Mo-S键的作用下更容易从ZIS转移到MoS<...     

基于低温原位法制备Ga2O3或In2O3电子收集层的高效有机太阳电池

有机太阳电池(OSCs)中,温和的界面材料制备工艺对于拓宽材料适用范围和提高器件能量转换效率(PCE)具有重要作用.本文提出了简便易行的In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层的制备方法,即旋涂In(acac)3和Ga(acac)3异丙醇前驱体溶液并结合低温热退火.在基于PM6:Y6的OSCs中引入In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层,得到了性能优异的器件, PCE分别达到16.17和16.01.对比研究发现, In₂O₃的功函数WF为4.58 eV,这比WF为5.06 eV的Ga₂O₃更有利于与ITO电极形成欧姆接触,因此基于前者的器件开路电压更高.此外,电化学阻抗谱EIS的研究进一步揭示了In₂O₃和Ga₂O₃对器件内部电荷转移过程的影响及其性能差异的由来:In₂O₃的串联电阻损耗虽然较低,但Ga₂O₃的复合电阻较高,所以一定程度上提高了基于Ga₂O₃的器件的填充因子,进而补偿了其串联电阻的损失.本论文的对比研究发现, In₂O₃和Ga₂O₃都是OSCs优异的电子收集层.