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.     

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。     

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。     

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。     

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...     

a-Si∶H叠层薄膜太阳电池的最佳设计的计算机模拟

为了更好地利用太阳光谱,提高电池效率,可以在单结电池最佳设计的基础上采用叠层技术.本文对a-Si∶H叠层薄膜太阳电池进行了计算机模拟, 提出各层电池的禁带宽度最佳匹配以及各层电池本征层的最佳厚度的设计方案.计算表明,当单结电池效率为12.09%时,三叠层电池的效率增加至16.93%,但进一步增加电池的层数,电池效率的增加变得缓慢.另外,禁带宽度对本征层最佳厚度也有一定的依赖关系.禁带宽度越大,本征层最佳厚度也越大.     

a-Si：H叠层薄膜太阳电池的最佳设计的计算机模拟

为了更好地利用太阳光谱，提高电池效率．可以在单结电池最佳设计的基础上采用叠层技术。本文对a-Si：H叠层薄膜太阳电池进行了计算机模拟，提出各层电池的禁带宽度最佳匹配以及各层电池本征层的最佳厚度的设计方案。计算表明，当单结电池效率为12．09％时，三叠层电池的效率增加至16．93％，但进一步增加电池的层数，电池效率的增加变得缓慢。另外．禁带宽度对本征层最佳厚度也有一定的依赖关系。禁带宽度越大，本征层最佳厚度也越大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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)。     

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.     

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.     

聚焦钙钛矿光伏器件中慢速动力学机制研究进展

利用光伏效应直接将太阳能转化为电能,是获取可持续清洁能源的重要途径之一。近年来,钙钛矿太阳能电池成为光伏领域的研究热点,随着结构调控和制备工艺的不断发展,目前其光电转换效率已经突破25%。虽然钙钛矿光伏器件具有制备条件温和、成本低、效率高等优点,但该类光伏器件呈现出秒量级甚至分钟量级的慢速动力学现象,这对钙钛矿光伏器件性能以及正确认识光电转换动力学造成较大的影响。迄今对慢速动力学的认识仍处于猜测阶段,尚缺乏系统认识。其中离子迁移和缺陷态属性被当作慢速动力学的主要研究目标。本文从钙钛矿光伏器件原初的电荷分离开始,分析了钙钛矿太阳能电池在多时间跨度内的载流子动力学行为;讨论了可能造成钙钛矿光伏器件慢速动力学的原因,认为可以从关键的钙钛矿活性层切入;揭示了钙钛矿活性层结构对慢速动力学的影响机理;为全新认识钙钛矿太阳能电池光电转换过程提供新思路,从而进一步指导器件设计和制备。     

二维卤化物钙钛矿太阳能电池稳定性和效率的研究进展

为了实现绿色可持续发展，降低CO₂的排放量，大力发展和利用光伏等清洁能源技术已成为未来能源发展的新趋势。最近，以有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池为代表的新一代光伏电池具有成本低、轻薄、制造简单等特点，符合未来发展的需求而备受关注。有机-无机卤化物钙钛矿材料是带隙可调的直接带隙半导体，具有较低的激子结合能、较长的载流子寿命和扩散长度以及较高的缺陷容忍度等优点，目前该类电池器件最高效率已经超过25%。但材料自身的不稳定性以及对水、热、氧、紫外光等环境因素的敏感已经成为限制其进一步发展的首要问题。而二维卤化物钙钛矿以其超高的湿度稳定性引起了各国研究者的注意，然而二维卤化物钙矿电池的效率与传统三维卤化物钙钛矿电池相比，还存在较大的差距。因此，在保持其良好稳定性的前提下提升电池的效率，是二维钙钛矿电池研究面临的关键问题。本文主要围绕二维钙钛矿的结构和制备方法讨论，针对稳定性和效率问题展开了讨论，致力于为发展制备出高效、稳定的二维卤化物钙钛矿太阳能电池提供指导。     

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。