NbTaO_(x)界面修饰用于高效钙钛矿太阳电池

界面修饰能够调控钙钛矿太阳电池(PSC)的埋底界面缺陷,为提高PSC的光电转换效率与稳定性,在电子传输层和钙钛矿层之间引入NbTaO_(x)界面修饰层,并研究其对正置结构的PSC光伏性能的影响。将含乙醇铌和乙醇钽的乙醇溶液旋涂在致密的SnO_(2)电子传输层表面,待其缓慢水解,经退火即可在SnO_(2)薄膜表面原位生长得到NbTaO_(x)修饰层。结合荧光光谱、水接触角测试和紫外光电子能谱等探究其影响机制。测试结果表明,基于NbTaO_(x)界面修饰层的PSC光电转换效率由19.14%提升至21.51%。NbTaO_(x)不仅可以提升电子传输能力,减少载流子在界面处的复合,且有利于钙钛矿层的沉积,提高钙钛矿薄膜的结晶质量。

B位掺杂提升CsSnI_(3)钙钛矿结构和电荷稳定性的第一性原理研究

全无机CsSnI_(3)钙钛矿拥有理想的带隙宽度(1.3 eV),光电转化效率理论峰值达到33%.目前CsSnI_(3)太阳能电池的发展受制于的CsSnI_(3)的结构不稳定性和Sn^(2+)易被氧化为Sn^(4+)的问题.研究基于第一性原理,详细探讨了一系列金属元素对CsSnI_(3)进行B位掺杂改性的方案,旨在提升CsSnI_(3)结构稳定性,并抑制CsSnI_(3)中Sn^(2+)被氧化为Sn^(4+)的问题.计算结果表明,在CsSnI_(3)钙钛矿B位掺杂三价金属Sb、Bi能够阻碍CsSnI_(3)相变生成Cs_(2)SnI_6,并且抑制Sn^(2+)的氧化;尤其在晶格中存在锡空位缺陷时,Sb、Bi掺杂对于Sn^(4+)形成的抑制效果更为显著.同时,低浓度的Sb、Bi掺杂不会改变CsSnI_(3)的直接带隙特性,且带隙宽度变化较小,因此能够在维持CsSnI_(3)优良光电活性的基础上进一步提高结构和电荷的稳定性.研究结果为实现高效且稳定的CsSnI_(3)钙钛矿太阳能电池提供了重要的理论指导.

钙钛矿材料:热电领域的潜力之星

硫系和卤化物钙钛矿材料具有优良的热电输运性能,以及易制备、稳定性良好等诸多优点,因而受到了广泛关注。筛选具有热电潜力的钙钛矿材料和提升现有钙钛矿材料的热电性能是目前研究的重点内容。本文回顾了钙钛矿和热电材料的基本理论,描述了材料热电性能的表征参数,综述了具有优良热电潜力的钙钛矿材料的研究进展,包括无机硫系和卤化物钙钛矿材料、有机复合钙钛矿材料以及氧化物钙钛矿材料等,并从电子结构、电输运性质、热输运性质以及热电性能调控方法等方面分析了钙钛矿材料具有优异热电优值和优良热电潜力的原因,展望了钙钛矿材料的热电应用前景。

Cs阳离子掺杂对CH_(3)NH_(3)PbI_(3)钙钛矿电子性质的影响研究

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池被报道具有极高的功率转换效率,是下一代太阳能电池材料有希望的候选者,但其化学性质极不稳定,在高温高湿条件下易分解.本研究采用无机Cs阳离子取代CH_(3)NH_(3)PbI_(3)结构中的CH_(3)NH_(3)有机阳离子,利用第一性原理密度泛函理论,计算了未掺杂CH_(3)NH_(3)PbI_(3)钙钛矿和Cs阳离子掺杂钙钛矿的电子性质.结果表明,适当比例的Cs阳离子掺杂能够增强Pb-I的相互作用力,且Cs阳离子掺杂并未改变钙钛矿直接半导体的属性.Cs阳离子与Pb-I框架之间强的共价相互作用,导致Cs阳离子掺杂钙钛矿具有更加稳定的晶体结构.这项工作阐明了Cs阳离子掺杂钙钛矿材料高稳定性的潜在机理,可以为将来设计高效稳定的钙钛矿光伏材料提供一定的理论依据.

有机金属卤化物钙钛矿CH_(3)NH_(3)PbBr_(3)的各向异性Rashba效应

本研究通过密度泛函理论结合全相对论赝势对钙钛矿CH_(3)NH_(3)PbBr_(3)中的各向异性Rashba效应进行了深入研究.发现,Pb-Br八面体的畸变引起了导带最小间隙的三重态在自旋轨道耦合(SOC)效应和晶格形变下的分裂,导致在不同方向上呈现出强烈的各向异性.Rashba带分裂的最大系数可达2.0 eV?,并通过分析能级和电荷密度分布解释了Rashba效应的形成机制.这些研究结果有助于深化对CH_(3)NH_(3)PbBr_(3)性质的理解,同时为其在自旋电子学领域的潜在应用提供了理论基础.

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 cm^(2))、大面积器件(1~10 cm^(2))、迷你模组级器件(10~800 cm^(2))和模组级器件(>800 cm^(2))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。

新型空间太阳能电池用的钙钛矿薄膜与器件的电子辐照效应

钙钛矿太阳能电池由于具有高效率、低成本、高比功率以及明显优于硅基和Ⅲ-Ⅴ化合物太阳能电池的辐照抗性等优点,被认为是新型空间太阳能电池的有力竞争者之一.目前,人们重点关注钙钛矿太阳能电池的辐照效应,而对核心的钙钛矿薄膜的辐照损伤机理研究较少.本文首先利用蒙特卡罗法模拟预测了钙钛矿太阳能电池的电子辐照效应,然后结合电子辐照前后钙钛矿薄膜的微观组织结构表征和光学/电学性能对比,阐述了薄膜的辐照损伤机理,并对钙钛矿太阳能电池的电子辐照可靠性进行了评价.研究表明,混合阳离子钙钛矿薄膜与太阳能电池表现出优异的电子辐照抗性.即使在累计剂量达5×10^(15)e·cm^(-2)的100 keV电子辐照下,电池依然可保持17.29%的平均能量转换效率,维持了约85%的初始效率水平.本研究为新型空间太阳能电池的抗辐照加固设计提供了理论与实验依据,有助于提高新型空间太阳能电池的服役性能与可靠性.

低维钙钛矿太阳能电池的制备与光电性能研究——推荐一个综合化学实验

低维钙钛矿太阳能电池(Low-Dimensional Perovskite Solar Cells,LD PSCs)是一种稳定性好、疏水性强的新型钙钛矿光伏器件,在新能源领域受到了广泛的关注。本实验以领域内的前沿进展为出发点,提供丁胺(Butylammonium,BA)离子、半胱氨酸(2-氨基-3-巯基丙酸,Cysteine,Cys)离子作为有机间隔阳离子,合成了低维钙钛矿晶体并制备出以(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1或(Cys)2(MA)n-1PbnI3n+1为活性层的钙钛矿太阳能电池,并通过X射线衍射检测、紫外-可见吸收检测等手段对产品进行表征,之后测定了钙钛矿器件的能量转换效率。本实验难度适中,涉及光伏器件的制备与表征,旨在激励本科生对前沿光电研究产生兴趣、培养其科研能力。

单晶钙钛矿太阳能电池研究进展

单晶半导体(如硅、锗和砷化镓)在太阳能电池领域展现的光电转换效率要普遍优于多晶薄膜。然而,基于ABX3新型有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料构建的第三代太阳能电池中,其>26%的最高认证效率是基于多晶薄膜实现的。目前,单晶钙钛矿太阳能电池最高效率约为24%,且相关研究较少。多晶钙钛矿薄膜存在着高密度的固有结构缺陷(如晶界、空位缺陷、杂质缺陷、反位缺陷等),会导致太阳能电池器件稳定性弱和严重迟滞效应等问题。相比之下,钙钛矿单晶具有无晶界、低缺陷密度、长载流子寿命和扩散距离等优势,这些特性使得钙钛矿单晶成为高性能光电子器件的理想优选材料。本综述简述钙钛矿单晶太阳能电池的基本器件结构,系统综述不同组分构成的钙钛矿单晶材料的优势/劣势,同时探讨不同单晶钙钛矿材料的制备/生长方法,细致分析其最新的研究进展和关键攻关方向,重点强调单晶钙钛矿材料组分、器件结构、生长工艺与器件性能之间的关系。希望本综述能为促进研究人员开发高效与高稳定钙钛矿单晶太阳能电池提供借鉴。

基于金刚线切片的钙钛矿/硅叠层太阳电池

提出一种免空穴传输层的策略,将自组装单分子层材料作为钙钛矿活性层的添加剂,通过一步旋涂法直接将钙钛矿薄膜制备在导电基底表面,其中薄膜的质量与均一性都得到改善。进一步地,将该方法应用在低成本的商用金刚线切片上,可在高粗糙度的硅表面制备出覆盖度高、形貌致密、无空洞的钙钛矿薄膜。在光电性能方面,用该方法得到的单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率为21%,填充因子高达83%,两端钙钛矿/硅叠层太阳电池的光电转换效率为28%。

钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响

基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性,特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升,使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一.然而,近年来转换效率的增长步入缓慢阶段,同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战,这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关.为进一步提高电池效率和结构稳定性,必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性.本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响,包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响,论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性,并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望.

利用溅射ITO层增强钙钛矿太阳电池的稳定性研究

为增强以银为背电极的正置结构有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳电池(PSCs)的长期稳定性,研究利用射频磁控溅射技术在氧化钼层与银背电极之间沉积一层铟锡氧化物(ITO)来对PSCs进行内封装的技术。为防止ITO层溅射对下方已沉积的钙钛矿层和有机空穴传输层造成损伤,研究ITO层溅射功率和厚度对PSCs光伏性能的影响,获得优化的ITO层制备工艺,发现在ITO层溅射功率为30 W、厚度为40 nm时所制备的PSCs光伏性能最优。为进一步提升PSCs性能,对比溅射法和热蒸发法沉积银背电极对PSCs性能的影响,发现与蒸发法相比,采用溅射银背电极的PSCs光伏性能更佳,其光电转换效率可达到17.86%。PSCs光伏性能的长期稳定性测试和X射线衍射结果分析表明,溅射ITO阻隔层的插入可有效抑制钙钛矿层中的卤素离子与银背电极之间的扩散反应,在不降低PSCs效率的同时可显著改善PSCs稳定性,所制备的PSCs在干燥空气中存放4500h后仍能保持初始效率的95%。

咪唑添加剂对钙钛矿太阳能电池性能的影响

为钝化钙钛矿薄膜中的缺陷并改善薄膜质量,将咪唑(Imidazole,IM)添加到钙钛矿前驱体中,并通过旋涂法制备钙钛矿薄膜;采用X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计和稳态-瞬态荧光寿命光谱仪对钙钛矿薄膜形貌、结构和性能进行表征。结果表明:IM同时具有路易斯酸性与路易斯碱性,能够有效调控钙钛矿晶体生长,增大钙钛矿晶粒,改善钙钛矿薄膜质量;IM与钙钛矿中未配位的Pb2+和I-形成络合,协同钝化薄膜表面与晶界处的Pb2+和I-缺陷;经过IM修饰的电池器件,其光电转化效率从15.43%提高到17.02%;具有较大晶粒以及较低缺陷态密度的高质量钙钛矿薄膜,可以有效阻挡水分子的入侵,提高电池器件的稳定性。基于IM添加剂成功制备了低缺陷的高质量钙钛矿薄膜,为钙钛矿太阳能电池的商业化生产提供了理论指导。

A位取代和缺陷钝化实现钙钛矿薄膜的低阈值红光放大自发辐射

作为发红光的光学增益介质,CsPbI_(2)Br钙钛矿材料具有良好的热稳定性和合适的光学带隙,引起了研究者的广泛关注。然而,溶液法制备的CsPbI2Br薄膜在高湿度环境下易发生相变,同时薄膜存在大量缺陷,阻碍了其性能提升。鉴于此,采用部分FA^(+)(CH_(4)N_(2)^(+))进行A位取代以提高钙钛矿薄膜的相稳定性,然后利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对钙钛矿薄膜进行表面钝化。得益于FA^(+)阳离子带来的薄膜形貌的改善和PMMA良好缺陷钝化效果,实现了Cs_(0.7)FA_(0.3)PbI_(2)Br钙钛矿薄膜的低阈值红光放大自发辐射(ASE),其发射波长为689 nm,纳秒激光激发下的阈值为15μJ/cm^(2)。同时,该薄膜具有良好的疏水性和光稳定性,在大气湿度环境下(RH为(40±10)%),采用3000μJ/cm^(2)脉冲激光持续照射120 min,其ASE强度仍能维持其初始值的93%。这项工作为实现低阈值高稳定的红光ASE和激光提供了参考。

半透明钙钛矿太阳能电池的研究进展

半透明太阳能电池因其在发电窗户、建筑集成光伏、农业温室等领域的巨大潜力而受到越来越多的关注.钙钛矿因其优异的光电性能和通用的制造方法成为了半透明太阳能电池光吸收材料的理想候选.半透明太阳能电池具有高透明度、颜色可调性等优异性能.因此,为了保证光电转换效率的同时实现良好的透光性,科学界需要继续解决器件结构设计、吸光层和透明电极材料等问题.分析半透明钙钛矿太阳能电池在电极设计、有源层调控以及器件结构的最新研究进展,并探讨半透明钙钛矿太阳能电池当前所面临的问题和未来发展方向.

溶液法制备二维钙钛矿层提高甲脒碘化铅钙钛矿太阳能电池稳定性

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)因优异的光电转换性能被广泛研究,但CH(NH_(2))_(2)PbI_(3)(FAPbI_(3))固有的化学不稳定性阻碍了其长期以来的发展.特别是薄膜表界面处因更低的活化能而具有突出的湿度敏感性,表界面的缺陷与薄膜稳定性具有强相关性,缺陷的处理结果是提高长期稳定性的关键因素之一.除了界面工程,还有在表面叠加二维钙钛矿层的策略用于界面钝化.然而二维钙钛矿层的制备方法多数具有局限性.本文采用全溶液法的制备工艺,通过在FAPbI_(3)钙钛矿表面均匀涂覆丁基碘化铵(BAI)溶液与热退火的后处理方式,驱动了表面二维(2D)钙钛矿的形成,以减少薄膜表界面缺陷,成功制备了混合维钙钛矿太阳能电池.与此同时,2D钙钛矿中长链分子的疏水性本质上提高了钙钛矿层对水分的容忍度.结果表明,含2D钙钛矿层的未封装器件在相对湿度(RH)为60%的室温环境空气中连续工作近1000 h后仍保持初始效率的80%以上.这种方法构建的2D钙钛矿层在不影响载流子传输性能的同时显著提高了薄膜与器件的长期稳定性,符合高质量钙钛矿太阳能电池的要求与发展趋势,是一种极具发展潜力的策略.

基于挥发性溶剂制备MAPbI_(3)钙钛矿太阳能电池/模组

制备大面积、高效率的钙钛矿太阳能电池模组(PSM)是钙钛矿太阳能电池(PSCs)产业化的关键步骤。使用挥发性溶剂的钙钛矿前驱体溶液在形成液膜后,溶剂可以迅速自行蒸发,无需添加反溶剂、退火等后处理过程,极大简化了工艺流程,更加适合工业化生产。然而,挥发性溶剂体系制备的钙钛矿薄膜结晶速率过快,生成的钙钛矿晶粒尺寸偏小,且薄膜的缺陷态密度较高,这造成制备的器件效率和稳定性较差。本研究设计了一种由甲胺/乙腈(MA/ACN)组成的挥发性溶剂体系,制备了MAPbI_(3)钙钛矿太阳能电池/模组,并在钙钛矿前驱体溶液中添加了适量的PbCl_(2),用于延缓结晶并钝化晶界缺陷。使用这种方法制备的0.06 cm^(2)小面积器件的光电转换效率(PCE)最高达到21.21%,并且稳定性较好,基于此工艺制备的钙钛矿太阳能电池模组的PCE达到18.89%。本研究为钙钛矿太阳能电池的大规模工业化生产提供了一种新的思路。

Ruddlesden-Popper层状钙钛矿Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)的电子结构与磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论的投影平面波方法,对Ruddlesden-Popper(RP)层状钙钛矿结构Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)的电子结构和磁学性质进行了自旋极化计算。由于A位Ba的替位掺杂,造成MnO6八面体发生显著旋转、倾斜等畸变,会对电子结构与磁性产生较大影响,对此进行了充分的讨论。考虑在位库伦作用修正的广义梯度近似(GGA+U)的计算表明,Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)基态为铁磁半金属,其半金属能隙3.07 eV,晶胞总磁矩为31μB。Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)的晶胞磁矩主要来自Mn原子磁矩的贡献,而Bi、Ba与O原子磁矩相对较小;而半金属性则主要源于Mn 3d自旋向上与自旋向下电子间存在较大的交换劈裂所致。使晶胞承受均匀变形,当其晶格常数在-10%~14%较大范围变化时,半金属性均可得到保持,且其晶胞总磁矩可始终稳定于31μB。

溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展

近年来,有机-无机杂化卤化铅钙钛矿材料因其出色的光电特性在国际上备受瞩目,并已成功应用于太阳能光伏、光电探测、电致发光等多个领域。目前绝大部分器件研究都集中在钙钛矿多晶材料上,但钙钛矿单晶材料拥有更低的缺陷态密度、更高的载流子迁移率、更长的载流子复合寿命、更宽的光吸收范围,以及更高的稳定性等优异的性质,可有效减少载流子传输过程中的散射损失,以及在晶界处的非辐射复合,并抑制离子迁移所引起的迟滞效应。采用钙钛矿单晶薄膜作为器件有源层有望制备性能更高效且更稳定的钙钛矿光电器件。目前,已报道的多种钙钛矿单晶薄膜制备方法包括溶液空间限域法、化学气相沉积法、自上而下加工法等,其中溶液空间限域法的发展和应用最为广泛。本文聚焦利用溶液空间限域法制备高质量钙钛矿单晶薄膜的相关方法,以及钙钛矿单晶薄膜在光电探测器、太阳能电池、场效应晶体管和发光二极管等相关器件应用中的研究进展,并对钙钛矿单晶薄膜及其光电器件的未来发展趋势进行了展望。

甲脒铅溴钙钛矿纳米晶的瞬态吸收与温度依赖光致发光

甲脒铅溴钙钛矿纳米晶(FAPbBr_(3) NCs)因其在光电应用中的卓越性能而受到广泛关注。使用铵作为配体对钙钛矿纳米晶进行有效表面钝化被证明是提高器件性能的有效方法。本文使用配体辅助再沉淀技术制备了两种不同胺配体(长链油胺和短链己胺)的FAPbBr_(3) NCs,通过瞬态吸收光谱和时间分辨光致发光研究它们的激发态载流子动力学。结果显示,油胺配体的NCs具有更长的载流子寿命与较慢的载流子弛豫动力学,表明长链油胺能有效钝化表面缺陷,促进辐射复合。通过稳态光致发光光谱实验研究了FAPbBr_(3) NCs的温度依赖性,结果表明随着温度升高,激子-声子耦合增强,线宽和发射峰的光子能量增加,确定了长链油胺配体FAPbBr_(3) NCs中的激子结合能约为62.9 meV及纵向光学声子能量约为30.5 meV。研究结果证实了胺配体在调控FAPbBr_(3) NCs光学性能方面的作用,为高性能光电器件的设计提供了重要的指导意义。