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。     

埋底界面修饰对钙钛矿太阳能电池的影响

经过十多年的发展,钙钛矿太阳能电池（PSCs）迅速实现了能量转换效率（PCE）从3.8%提高到25.7%的突破,在新一代光伏产业中具有显著的竞争力。钙钛矿太阳能电池的蓬勃发展不仅源于钙钛矿材料具有高光吸收系数、优异的载流子迁移率和可调节的直接带隙,还源于其简便且成本低廉的制造工艺。但是钙钛矿电池内部的缺陷问题,特别是钙钛矿层与底层界面处的缺陷是限制钙钛矿电池效率与稳定性进一步提升的一个瓶颈。通过有效的界面修饰,一方面可以提高钙钛矿的效率,另一方面可以提高器件的稳定性。本文从界面工程对钙钛矿性能的影响出发,着重介绍了埋底界面的修饰工作对钙钛矿电池效率与稳定性的影响,包含电子传输层（ETL）/钙钛矿界面与空穴传输层（HTL）/钙钛矿界面这两部分,通过对这两类埋底界面的有效改性修饰,器件的效率与稳定性显著提高。通过对比分析了各种材料与实验方法对钙钛矿器件整体性能和稳定性的影响,探索了一条有效改善器件性能的路径。最后,本文还对钙钛矿太阳能电池的前景进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

溶液微晶提升全无机CsPbIBr2钙钛矿的薄膜质量并减小碳基光伏器件内部载流子复合(英文)

钙钛矿前驱体溶液的胶体特性决定了钙钛矿薄膜的质量以及钙钛矿太阳能电池的光电转换效率.在本文中,我们通过简单地调控钙钛矿溶液的温度,实现了钙钛矿薄膜质量的优化.系统的表征测试表明,与室温下的钙钛矿前驱体溶液不同,在高温条件下,钙钛矿前驱体溶液中会产生尺寸在一微米以上的稳定微晶,能够促进钙钛矿中间相的自发成核并实现薄膜的择优生长.薄膜质量优化后,由于缺陷态减少和晶粒尺寸增加,光生电荷能够快速地在大晶粒内部传输,降低晶粒内部的非辐射复合以及辐射复合,将电池效率提升至11.12%,明显高于未优化器件的8.51%.更重要的是,优化器件表现出非常优异的空气稳定性和高温稳定性.     

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...     

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。     

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。     

一种咪唑基离子液体钝化制备的高效反式钙钛矿太阳能电池

有机?无机杂化卤素钙钛矿晶体表面的缺陷浓度远高于其内部,严重影响了钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性.通过开发多功能钝化剂可有效降低钙钛矿表面的缺陷密度,是进一步提高钙钛矿薄膜质量的一种有效途径.本研究中,我们首次应用了一种多功能的钝化材料:1?腈丙基?3?甲基咪唑氯盐,将其涂敷到钙钛矿表面可以同时钝化铅离子和碘离子缺陷,使载流子寿命延长两倍以上.最终,通过钝化甲脒铅碘钙钛矿表面,反式钙钛矿太阳能电池开路电压提高了40 mV,光电转化效率达到22.53％.同时,这种离子液体钝化处理使得太阳能电池的稳定性有所提升,封装器件在空气中60℃和AM1.5G标准光照条件下以最大功率点效率追踪500 h,效率仍保持在90％以上.     

阴离子表面活性剂锚定实现23.4%转换效率的反式钙钛矿太阳能电池（英文）

金属卤化物钙钛矿薄膜缺陷处的非辐射复合损失仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池光伏性能和稳定性进一步提高的主要原因.本文中,我们报道了一种可行的多功能添加剂策略,通过使用硬脂酸铯来钝化钙钛矿薄膜中的缺陷,同时提高对光和湿度的耐受性.实验证明,目标薄膜中的非辐射复合损失得到了有效抑制,同时硬脂酸铯提高了薄膜结晶度,降低了陷阱态密度,增强了界面载流子的分离和传输.因此,本策略将p-i-n反式结构钙钛矿太阳能电池的功率转换效率提高到23.41%.该器件在没有封装的情况下以及潮湿空气中表现出良好的长期稳定性,在720 h后仍能保持初始效率的91.6%.     

倒置结构全无机钙钛矿太阳能电池的界面层研究进展

铯基无机钙钛矿(CsPbX3)因其耐热性好、低成本和带隙可调等优点,近年来备受关注,并广泛用于制备新型薄膜太阳能电池。目前,虽然具有倒置结构的无机钙钛矿太阳能电池(PSC)更稳定且有望应用于构筑叠层电池的顶电池,其性能仍落后于正置结构的电池。因此,倒置电池的结构,特别是其界面层亟待进一步优化。近年来,研究者们设计和开发了一系列有机、无机界面层(包括空穴传输层和电子传输层),尝试优化基于无机钙钛矿的倒置电池。本综述针对这一现状,从材料和制备工艺的角度出发,综述了基于有机、无机材料体系的多种界面层的制备和应用进展,总结各类界面层材料的特点,讨论目前界面层的瓶颈问题和潜在的解决方案。     

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。     

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。     

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。