无铅和少铅的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

基于有机-无机杂化卤化铅材料的钙钛矿太阳电池的转换效率在短短几年内已迅速突破22%,为未来能源问题的解决带来了曙光,同时也引起了高度重视.但紧随其后的商品化、产业化发展需求极大地增加了对绿色、无毒的高效无铅钙钛矿太阳电池进行研究和开发的重要性和紧迫性.为进一步加快环境友好型钙钛矿太阳电池的研发进度,对目前无铅和少铅钙钛矿太阳电池的发展现状进行了综述.着重讨论了替代元素种类及其浓度、制备工艺等对薄膜和电池性能的影响,以期对电池的工作机理、替代元素的作用机理有更加深刻的认识,为新型环保、高效的钙钛矿太阳电池的制备提供指导.

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究进展

有机-无机杂化钙钛矿材料不仅具有较高的光吸收能力和载流子迁移率,同时具有双极性特征以及合成方法简单等优点,目前已成为最有发展前途的太阳能电池材料,其光电转化效率在7年内从3.8%迅速提升到20%以上,并有进一步提高的空间。简单介绍了钙钛矿材料的结构与性质,综述了钙钛矿太阳能电池的研究进展,指出了目前电池发展中亟需解决的问题及未来的发展方向。

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。

室温下快速合成均质大颗粒有机-无机杂化钙钛矿薄膜

在室温下,采用超声辅助液相法快速合成了有机-无机杂化钙钛矿薄膜。碘化铅和甲基碘化氨的摩尔比为1∶1,通过超声振荡法溶于γ-丁内酯(GBL)溶液,得到黄色透明液体。采用荧光分光光度计对溶液的光发射谱进行表征,发现在495 nm和826 nm出现特征峰;采用滴涂法以及溶剂蒸发来制备有机-无机杂化钙钛矿薄膜,通过XRD和SEM对薄膜结构和形貌进行分析。结果表明,获得的钙钛矿薄膜是四方晶系,薄膜的晶粒呈现不规则的六边形且尺寸达到微米量级。

一步溶液法制备有机-无机杂化钙钛矿薄膜

有机-无机杂化钙钛矿薄膜作为太阳电池的光吸收层,其薄膜的形貌、结构以及结晶程度等因素对电池的光电转换效率起到了决定性的作用,而薄膜的质量主要取决于制备工艺。采用一步溶液法制备了有机-无机杂化钙钛矿(CH_3NH_3PbI_3)薄膜,主要分析了在氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃、玻璃和多晶硅3种不同衬底上生长CH_3NH_3PbI_3薄膜的形貌和结构的差异。结果表明,在FTO导电玻璃和玻璃衬底上生长的薄膜的晶粒尺寸和晶粒分布均匀,而在硅衬底上生长的薄膜的边缘晶粒尺寸大于中心处的晶粒,并详细分析了造成这种现象的原因。此外,在50℃的低温下对在FTO导电玻璃衬底生长的CH_3NH_3PbI_3薄膜进行了不同时间的退火处理。实验结果表明,随着热处理时间的增加,晶粒尺寸也增加,但是合成的CH_3NH_3PbI_3薄膜部分发生了分解。

有机-无机杂化钙钛矿基光催化剂用于可见光催化芳香族溴化反应并联产氢气

溴化反应是一类很重要的有机反应.有机溴化物广泛存在于自然界,并广泛应用于医药、农药、染料、香料阻燃剂等化工行业,其在药物合成中有着尤其重要的意义.有机溴化物还被广泛用于形成碳‒碳键和碳‒杂键的有机反应,如Suzuki-Miyaura,Sonogashira,Heck,Stille和Buchwald-Hartwig等交叉偶联反应.传统的有机溴化物合成方法不符合绿色合成的要求,存在原子经济性低、不环保等问题.作为一种高效、绿色、有前景的有机合成手段,光催化已成功用于各种有机反应,如氧化反应、还原反应以及C‒X(C,O,N,S)键的形成.与具有毒性、腐蚀性和危险性的分子溴(Br_(2))和昂贵的N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)相比,无毒且价格低廉的溴化氢(HBr)可作为相对理想的“绿色”溴源参与溴化反应.需要说明的是,HBr中的Br‒必须被活化为活性物质才能参与溴化反应.本工作选择HBr为溴源,创建了一个以有机-无机杂化钙钛矿材料为光催化剂的光催化溴化体系,在可见光照射下,反应可获得高价值的芳香溴化物,并同时获得氢气.本课题组前期工作(ACS Energy Lett.,2019,4,40−47)发现,可见光吸收性能强的有机-无机杂化钙钛矿甲基胺溴化铅(MAPbBr_(3))可以在HBr中稳定存在,并在可见光照射下分解HBr产生H_(2).本文以MAPbBr_(3)为光催化剂,HBr为溴源,完成了芳香化合物的溴化反应,同时保留了产生H_(2)的优势.在MAPbBr_(3)饱和的HBr水溶液中,MAPbBr_(3)的沉淀物及在HBr饱和溶液中的溶解物之间形成了溶解-析出动态平衡,MAPbBr_(3)处于稳定状态.助催化剂0.75 wt%Pt/Ta_(2)O_(5)和导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)分别作为电子和空穴传输通道存在,有效促进了光生电子和空穴的分离,增强了光催化反应的活性.N,N-二甲基甲酰胺(DMF)有效提高了有机底物在反应体系中的溶解性,而且不会破坏体系的稳定性,可以进一步提升反应的活性.与DMF结构类似的有机物同样可以提高反应活性,其中N,N-二异丁基甲酰胺效果最好.机理研究表明,此溴化反应是通过亲电取代的方式进行的,反应生成的Br_(2)会与水反应生成活性溴化物种HOBr,HOBr可能是关键的溴化中间体.这种温和且高效的溴化路径,反应的转化率和选择性均高达99%,可以完成芳香有机物的溴化,还可以用于结构复杂的天然物质和药物的后期功能化.

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池材料的电子辐照降解机制研究与电子显微成像条件探索

有机无机杂化钙钛矿材料由于其优异的光电性能及其在光伏器件中巨大的应用前景,在近年来引起广泛的关注并得到迅速的发展。有机无机杂化钙钛矿材料作为太阳能电池器件中的吸光层,其性能与其微结构密切相关。然而由于其有机无机杂化的性质,通过电子显微镜研究其结构与微结构时,极易受到电子束辐照损伤而降解,而其降解机制尚不明确。本文以典型的有机无机杂化钙钛矿材料MAPbI_3为研究对象,分别在SEM和TEM中通过改变电子束的加速电压与辐照剂量,研究其形貌变化、结构转变及微结构演变,分析不同电压下的降解机制,并探索出低损的成像条件。结果表明,MAPbI_3在SEM的低电压作用下,极易在晶界处产生缺陷并导致薄膜开裂;而在TEM中,60 kV加速电压对MAPbI_3的辐照损伤以电离损伤引起的局部加热为主,并导致相变,而300 kV加速电压导致MAPbI_3降解为PbI_2是较高电压下主要的辐照损伤机制。

喷涂法制备MA1-xCsxPbI3掺杂有机无机杂化钙钛矿薄膜

利用喷涂成膜法,通过优化基底温度、溶剂组成、溶液浓度等条件,得到当基底温度为130℃,溶液体系为纯DMF(N,N-二甲基甲酰胺),钙钛矿质量分数为20%时的掺杂有机无机杂化钛薄膜(MA 1-x Cs x Pbl 3),所制备出的MA 1-x Cs x PbI 3展现出最优的薄膜质量、光吸收性能,晶粒尺寸较大且均匀致密。X射线衍射分析结果表明,喷涂法制备的MA 1-x Cs x PbI 3薄膜可在x达到0.20下仍观测不到杂相(CsPbI 3)。通过对薄膜的形貌分析和光学特性分析可知,MA 0.9 Cs 0.1 PbI 3具有晶粒尺寸大、可见光吸收性能好的特性。制备得到的MA 0.9 Cs 0.1 PbI 3薄膜较MAPbI 3薄膜的热稳定性有所提高。

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。

基于金纳米粒子增强有机-无机杂化钙钛矿放大自发辐射

有机-无机杂化钙钛矿作为激光的增益介质时,存在室温时纳秒脉冲或连续激光作用下的光泵浦器件不稳定、难以实现电泵浦激光等问题.通过将金纳米粒子水溶液和PEDOT∶PSS溶液共混的方法,将20nm尺寸的金纳米粒子掺杂至光泵浦平面波导器件的界面层PEDOT∶PSS中,掺杂了金纳米粒子的平面波导器件(以CH_3NH_3PbBr_3为增益介质)的放大自发辐射绝对强度相对于没掺杂金纳米粒子的器件提升了5.5倍.实验结果表明,金纳米粒子的引入,一方面提升了CH3NH3PbBr3薄膜的吸收,增加了粒子反转数目,另一方面加快了激发态激子的辐射跃迁速率.仿真分析表明,金纳米粒子的近场和远场复合表面等离激元可有效耦合增益介质光吸收/发射主区域,从而提高了平面波导器件的放大自发辐射性能.研究结果可为高效泵浦激光的实现提供参考.

有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料稳定性及其在光电探测器方面的研究进展(特邀)

有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3)因其具有载流子迁移率高、直接带隙结构、光电转换效率高等优异的光电性能,在太阳能电池、光电探测器、发光二极管及激光器等光电子领域具有重要应用前景。然而,有机-无机杂化钙钛矿材料的稳定性问题是现阶段限制其进一步应用的瓶颈。本文首先系统论述子外界环境因素(水氧、温度、光照等)对有机-无机杂化钙钛矿材料稳定性的影响因素与物理机制。其次,总结了目前改善及提高钙钛矿材料稳定性的主要方法和技术途径,如改进合成方法、离子掺杂、器件封装等手段。同时分析了其对基于有机-无机杂化钙钛矿材料光电探测器性能的影响。最后提出了该领域在实际应用中面临的挑战和发展策略。

有机-无机杂化钙钛矿中的自旋输运和磁场效应

有机-无机杂化钙钛矿(OIHPs)是现阶段较为新颖的光电子材料之一,已被广泛地应用于太阳能电池和发光领域。然而,该类材料已被证实具有较强的自旋轨道耦合和Rashba效应,并且具备较高的载流子迁移率和消光系数。因此,这为实现自旋注入和自旋调控提供了重要依据。本文从三个方面对有机-无机杂化钙钛矿的自旋光电子学展开论述,首先是自旋极化电子在钙钛矿自旋器件中的输运研究以及铁磁-钙钛矿自旋界面研究;其次,是该材料在激发态下的磁场效应研究;最后,就钙钛矿自旋光电子学未来发展进行了探讨和评论。

有机-无机杂化钙钛矿光电子器件的钝化技术研究进展(续)

3从分子层面设计稳定钙钛矿薄膜虽然封装已被证明是一种有效的提高钙钛矿光电子器件寿命的方法,但它是一种后处理方法,在封装之前仍会发生材料降解。因此,寻找解决钙钛矿制作阶段稳定性问题的新策略至关重要。通过使用化学添加剂修饰界面,与钙钛矿材料反应生成稳定的氢键或疏水性官能团,使钙钛矿自身稳定性得到了改善。

碳量子点修饰对有机-无机杂化钙钛矿阻变性能的影响

通过在前驱体中添加碳量子点(CQD),制备了具有不同晶粒尺寸的有机-无机杂化钙钛矿CH_(3)NH_(3)PbI_(3)(MAPbI_(3))薄膜,并以金(Au)和氟掺氧化锡(FTO)为电极制备了具有Au/CQD-MAPbI_(3)/FTO结构的阻变器件.测试了CQD掺杂浓度对器件阻变性能的影响,并分析了其物理机制.结果表明:通过优化CQD掺杂质量浓度可以提升器件开关比,降低器件运行电压的波动.基于导电通道模型,器件阻变性能提升的可能原因为晶界主导的碘离子迁移随机性降低,导电通道结构简化.

有机无机杂化钙钛矿样品的扫描电镜成像探讨

有机无机杂化钙钛矿(Organic-inorganic hybrid perovskites,OIHP)由于易受电子辐射损伤,在利用电镜对其进行材料学研究分析时具有一定的局限性。在利用透射电镜对其分析时建议使用高加速电压,但在利用扫描电镜分析时有建议用高加速电压,也有建议用低加速电压,观点不一。本研究以有机无机杂化钙钛矿MAPbBr3为代表样品,对OIHP利用扫描电镜成像条件进了探讨。

基于微滴喷射的有机-无机杂化钙钛矿薄膜制备

有机-无机杂化钙钛矿是近年来备受关注的一种新型半导体材料,被广泛应用在许多光电器件上。目前,钙钛矿薄膜主要通过溶液法制备,但通过溶液法制备的钙钛矿薄膜受限于固定的形状及面积尺寸。针对上述问题,提出了一种基于交变滞惯力的微滴喷射方法制备钙钛矿薄膜,实现了微米尺寸、线状、大面积及多尺寸的钙钛矿薄膜制备,配合高温基底,可以制备出平整、全覆盖率的高质量薄膜;此外,所制备的线状薄膜应用于探测器上在光电流重复性和光响应速度方面表现出良好的光电性能,光响应上升时间为0.1ms,衰减时间为0.2ms。

一种无铅有机-无机杂化钙钛矿的合成及光学特性研究

铅基有机-无机杂化钙钛矿由于其在太阳能电池,发光二极管和光电探测器等领域的超高效率引起了人们的广泛关注。然而,铅基钙钛矿的毒性和环境不稳定性极大的限制了其实际应用,因此,无铅钙钛矿材料的光学性质已经成为研究人员关注的焦点。这篇文章中,我们采用低温溶液法制备了无铅有机-无机杂化钙钛矿(CH3)3NCH2Cl-MnCl3,并且研究了不同温度下钙钛矿(CH3)3NCH2Cl-MnCl3的光致发光光谱的变化趋势,发现其带隙能量表现出非单调的温度依赖性即低温下随温度增大带隙能量减小,高温下相反,遵循声子的Bose-Einstein振荡行为。我们将其归因于钙钛矿材料中电子-声子相互作用,并研究了其中的激子动力学机制。深入了解激子动力学对于理解有机-无机钙钛矿中的光与物质的相互作用,研究钙钛矿的光学特性是至关重要的。

CH_(3)NH_(3)多聚体的形成对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池性能的影响

采用第一性原理在MP2/aug-cc-PVTZ水平下优化得到CH_(3)NH_(3)多聚体的几何构型,发现多聚体中CH_(3)NH_(3)沿C-N轴取向,多聚体随着CH_(3)NH_(3)数量增加有收缩趋势,这有利于无机框架的结构稳定,多聚体的总偶极矩随着CH_(3)NH_(3)数量线性增加,这导致了CH_(3)NH_(3)PbI_(3)异质结的强极化.CH_(3)NH_(3)多聚体中未配对电子分布在每个CH_(3)NH_(3)的NH_(3-)端,轨道能量在-4.4—-3.2 eV之间.计算静电势矢量场发现CH_(3)NH_(3)~+具有强亲电性,NH_(3-)端比CH_(3-)端有更强的亲电性,CH_(3)NH_(3)单体和CH_(3)NH_(3)多聚体具有弱亲电性和亲核性,CH_(3)NH_(3)多聚体的形成有效地减少CH_(3)NH_(3)与无机[PbI_(3)]-框架之间的非谐振声子振动模式,这有利于提高CH_(3)NH_(3)PbI_(3)异质结中载流子传输.电场作用下CH_(3)NH_(3)五聚体中未配对电子通过量子跃迁机制沿着C-N轴发生转移,施加不同方向电场电子的转移效率是不一样的,转移电子数量随着电场强度增加而增加,通过这样的跃迁机制在外电场作用下电子很容易注入CH_(3)NH_(3)PbI_(3)形成CH_(3)NH_(3)多聚体.这些计算结果将有助于更深刻地理解有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池高光电转换效率的根源.

有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池S形电流扭结的集总参数等效电路模型

提出一种改进的太阳能电池集总参数等效电路模型,可以实现对S形电流电压曲线的准确拟合。该改进模型使用四个二极管,采用分区和Lambert W函数方法建立结点电压显式算法,获得电流-电压显式方程。与具有多个子电路的电路模型比较,改进模型中加入分流电阻,结构上更加完整。此外,该模型可以描述S形曲线,对较大正向电压下I-V特性第一象限的指数型曲线可实现良好拟合。基于该模型解析求解算法,可避免长时间数值迭代计算,获得满足误差要求的计算结果,利于仿真电路和模型参数提取。

气相沉积法制备有机—无机杂化钙钛矿研究进展

有机—无机杂化钙钛矿材料(简称钙钛矿)因其具有光吸收系数高,电荷扩散长度大,吸收光谱较宽等特点而成为极具潜力的太阳能电池吸光层材料,引起了科学界的广泛关注。2009年至今,基于钙钛矿的太阳能电池的转换效率已经从3.8%提高至20.2%,效率的快速提升得益于钙钛矿薄膜制备方法的不断改进和创新。本文评述了气相沉积法制备钙钛矿薄膜的研究进展,重点分析了溶液—气相沉积法和化学气相沉积法对薄膜物性的调控及其所制备出的薄膜在电池应用中效率,并对比分析了几种气相沉积方法各自的优缺点,提出了未来在钙钛矿薄膜制备方面应当关注的主要问题。