钙钛矿材料太阳电池发展的关键问题

钙钛矿太阳能电池凭借制造成本低、效率高等显著优点迅速成为近些年全球太阳能电池领域的研究热点。然而,钙钛矿太阳电池在高效电池器件的稳定性、重现性以及性能评估等多方面存在较多的问题,另一个严重限制其今后研究发展的因素是如何制备出连续、致密高质量的铅卤钙钛矿薄膜层。本文简单介绍了有机-无机杂化钙钛矿的结构和性能,综述了基于此类材料的太阳能电池的研究进展,介绍了其工作机理并总结了影响钙钛矿太阳电池性能的关键问题,指出了进一步提高钙钛矿太阳电池性能的努力方向,并展望了钙钛矿太阳电池的发展前景。     

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。     

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的研究进展

可溶液加工的高效太阳电池及其活性层材料一直是全世界学术界与产业界关注与研究的热点。近年来,由于优异的光吸收特性和载流子传输能力,以及相对简单的制备方法,具有立体三维结构的有机-无机杂化钙钛矿晶体材料在太阳电池中的应用受到越来越多的关注,并在过去的两年内取得了重大的研究进展。有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的光电转化效率(PCE)纪录被不断刷新,目前已达19.3%,与无机太阳电池相当。主要从有机-无机杂化钙钛矿材料的结构与性质、有机-无机杂化钙钛矿薄膜材料的制备方法、纳米多孔载体结构和平板结构钙钛矿太阳电池、杂化钙钛矿太阳电池的稳定性4个方面,介绍了有机-无机杂化钙钛矿太阳电池近期的研究进展,并对其发展方向进行了展望。     

大面积有机–无机杂化钙钛矿薄膜及其光伏应用研究进展

有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池具有制备成本低、光电转换效率(Photoelectric Conversion Efficiency, PCE)高的巨大优势,显示出广阔的商业化前景。经过十几年的深入研究,钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)的实验室器件(<1 cm2)、大面积器件(1～10 cm2)、迷你模组级器件(10～800 cm2)和模组级器件(>800 cm2)的最高认证PCE已分别提升至26.10%、24.35%、22.40%和18.60%。随着PSCs面积扩大,PCE急剧下降,这主要是因为制备方法的局限性,难以获得高质量的大面积钙钛矿薄膜。实验室器件常采用的旋涂法难以应用到实际生产中,目前大面积钙钛矿薄膜的制备方法主要有刮涂法和狭缝涂布法,但其存在薄膜成核结晶过程难以精确控制等问题。本文从大面积有机–无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法入手,介绍了大面积钙钛矿层成膜机制及薄膜质量提升策略。最后,对未来高PCE、高稳定性的大面积PSCs的制备技术和应用进行了展望,旨在对高性能的大面积PSCs研究提供有益参考。     

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.     

醋酸铅添加剂在印刷钙钛矿太阳能电池中的应用

印刷钙钛矿太阳能电池采用无机介孔骨架包覆有机无机杂化钙钛矿材料的器件结构,制备工艺简单,原材料成本低廉,且稳定性优异.然而,在介孔骨架中均匀沉积高质量的钙钛矿材料存在一定困难.本研究通过在典型钙钛矿材料甲胺铅碘(MAPbI3)前驱液中引入醋酸铅(Pb(Ac)2)作为添加剂,加快钙钛矿晶体的成核从而改善其在介孔骨架中的生...     

基于对氯苄胺的2D/3D钙钛矿太阳能电池

三维(3D)有机–无机金属卤化物钙钛矿薄膜的表面和晶界处存在大量缺陷,容易导致载流子的非辐射复合并加快3D钙钛矿分解,进而影响钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量转换效率(PCE)及稳定性.本研究通过引入对氯苄胺阳离子,与3D钙钛矿薄膜及其表面过剩的碘化铅反应后原位形成了二维(2D)钙钛矿,实现了对3D钙钛矿薄膜表面和晶界...     

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.     

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。