高效稳定有机-无机钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿材料具有可调的带隙、较高的消光系数、较低的激子束缚能和双极性电荷传输等优点,适用于制备钙钛矿太阳能电池。2009年以来,这种钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到22.1%,远高于多晶硅太阳能电池的光电转换效率,具有十分广阔的应用前景。但目前实验室制备的钙钛矿太阳能电池还存在稳定性问题。本文主要阐述了有机-无机钙钛矿太阳能的发展现状,提高光电转换率的途径和原理,并介绍使之稳定的可能性及方法。

“高效率有机-无机钙钛矿太阳能电池的研究”完成技术验收

9月19日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所承担的科技部政府间合作项目“高效率有机-无机钙钛矿太阳能电池的研究”完成技术验收。验收会由青岛市科学技术局组织，中科院物理研究所研究员孟庆波、北京航空航天大学教授邓元、华北电力大学教授李美成、青岛科技大学教授张建明、中国海洋大学副教授王玮、青岛海誉新材料有限公司高级工程师王志政、威海中玻光电有限公司高级工程师解欣业等专家，参加了验收会议。

基于全无机CsPbBr_(3)钙钛矿太阳能电池的光电性能研究

钙钛矿太阳能电池具有制作工艺简单和光电转换效率高等优点,成为光伏领域研究的热点。而全无机钙钛矿太阳能材料CsPbBr_(3)具有较强的稳定性,是具有竞争力的钙钛矿光吸收材料。主要利用SCAPS-1D软件构建了FTO/TiO_(2)/CsPbBr_(3)/Cu2ZnSnS4(CZTS)/Ag平面异质结结构。研究了全无机钙钛矿材料CsPbBr_(3)厚度和带隙对钙钛矿太阳能电池的影响。

无掺杂空穴传输材料在n-i-p型钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PVSCs)因长期稳定性差和制造成本高难以实现工业化生产。其制备中最常用的空穴传输材料(hole-transporting materials,HTMs)为2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴,需一定量吸湿添加剂以实现高效的空穴提取,导致对水敏感的钙钛矿层受到破坏。无掺杂HTMs避免了吸湿添加剂的使用,且成本低、合成步骤简单。综述了应用于n-i-p型PVSCs的YT5、M7-TFSI、P3HT、PBDB-Cz等高效率无掺杂有机小分子以及聚合物HTMs,提出了理想HTMs在器件性能、分子结构、合成条件、经济成本等方面的设计原则,并展望了无掺杂HTMs在PVSCs商业化过程中的应用前景。

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。

I_(2)界面修饰对全无机CsPbBr_(3)钙钛矿太阳能电池性能的影响

通过在CsPbBr_(3)薄膜上旋涂一次I_(2)的异丙醇溶液以修饰CsPbBr_(3)吸光层,钝化CsPbBr_(3)层表面缺陷,改善CsPbBr_(3)薄膜形貌。同时通过利用环境友好的绿色溶剂水溶解CsBr,显著提高了其溶解度,减少了旋涂次数,简化了电池制备流程。实验结果表明,在CsPbBr_(3)钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)中,使用5 mg·mL^(-1)I_(2)的异丙醇溶液界面修饰的器件具有最佳光伏性能,其最高开路电压(open-circuit voltage,V_(OC))为1.55 V,短路电流密度(short circuit current density,J_(SC))为7.45 mA·cm^(-2),填充因子(fill factor,FF)为85.54%,光电转换效率(photoelectric conversion efficiency,PCE)达到了9.88%。

有机自由基在钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其优异的光电性能而发展迅猛,其单节电池的能量转化效率(PCE)已经超过了26%,有望成为下一代商业化光伏技术。然而,电池稳定性的问题限制了它们的商业应用。PSCs中大量的缺陷存在将直接影响其性能和稳定性,因此,开发协同提高器件性能与稳定性的光伏材料尤为重要。有机自由基及其聚合物具有开壳型电子结构,在其分子中携带不成对的电子,含有缺电子中心,具有潜在的结合电子的能力,从而有望钝化钙钛矿中的缺陷及提高电荷传输层的导电性能。因此本文主要回顾了近年来有机自由基及其聚合物作为钝化剂和掺杂剂在钙钛矿太阳能电池中的应用,并对其进行了总结与展望。

二维有机-无机钙钛矿闪烁体性能研究进展

二维有机-无机钙钛矿材料因具有优良的发光性能被广泛研究,在X/γ/中子射线探测和成像方面有较好的应用前景,其闪烁性能甚至超过了商用闪烁体。本文从射线与物质相互作用原理和二维有机-无机钙钛矿材料的基本发光性质出发,介绍了二维钙钛矿闪烁体相比传统闪烁体的发光优势,综述了其在射线探测领域的最新成果。最后,提出了目前面对的技术挑战和潜在解决方案,并对二维有机-无机钙钛矿闪烁体的未来发展趋势进行了展望。

钙钛矿太阳能电池中无掺杂聚合物空穴传输材料研究进展

基于传统空穴传输材料(HTM)的钙钛矿太阳能电池(PSC)已经实现了超过25%的能量转换效率,然而这些HTM通常需要添加吸湿性掺杂剂来实现高迁移率和可加工性,从而降低了器件稳定性。为解决该问题,无掺杂HTM受到广泛关注。总结了近年来用于高效PSC的无掺杂聚合物HTM的结构和性能,并分析了其中的构效关系,提出了高效无掺杂聚合物HTM的结构设计原理,并展望了未来的发展趋势。

金属离子替换的有机-无机钙钛矿太阳能电池及其迟滞现象

注入金属离子替换有机-无机钙钛矿中参与成键的Pb^(2+)可以有效调控其结晶动力学、薄膜形貌和光电特性,因此,通过优化Pb^(2+)替换比例提高钙钛矿太阳能电池性能是当前的研究热点之一.但是, Pb^(2+)替换对器件异常迟滞现象的影响却缺乏深入的研究.本文采用Cd^(2+)替换的MAPbI_3为模型体系,研究了不同Cd^(2+)浓度下MAPbI_3材料性质及其平面异质结光伏器件(结构为ITO/NiO_x/Cd-MAPbI_3/PCBM/Ag)性能的变化趋势.研究结果表明,优化比例(0.5%)的Cd^(2+)可以有效增强材料结晶性、改善薄膜形貌,降低非辐射复合,提高光生载流子寿命,从而大幅提高器件性能.而Cd^(2+)替换比例过高(>2.5%)时,钙钛矿薄膜中不仅会出现相分离阻碍电荷传输,而且其非辐射复合加剧,光生载流子寿命降低,最终导致器件性能下降.与此同时,过量的Cd^(2+)注入还会引起严重的迟滞现象,利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)证实这一现象与钙钛矿薄膜中显著的离子迁移有关.

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能电池研究进展

高效率的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池是太阳能电池研究领域的明星,近年来取得了蓬勃发展。由染料敏化电池发展而来的钙钛矿太阳能电池具有成本低、能带窄、吸光系数高、载流子迁移率高等一系列显著的优势,使其在科学研究和商业应用领域表现出了极大的潜力。综述了钙钛矿太阳能电池的结构和关键材料的研究进展。

氧化锡电子传输层在正置钙钛矿太阳能电池中的研究进展

近年来,钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)由于具有光伏性能优异、材料成本低、制造工艺简单等优势,引起了科研工作者广泛的研究兴趣。在PSCs中,电子传输层(Electron transport layer,ETL)在提取和传输光生电子方面起着至关重要的作用。氧化锡(SnO_(2))由于具有高光学透过率、高电子迁移率、良好的化学稳定性、合理的能级结构和可低温制备等优异性能,成为PSCs器件中理想的ETL。本文围绕SnO_(2) ETL在正置PSCs中的研究进展进行综述,首先介绍了SnO_(2)的结构与光电特性,并归纳了SnO_(2)的制备方法,随后对有机无机杂化PSCs及全无机PSCs中SnO_(2) ETL的改性进行了详细的阐述和总结,包括掺杂及界面修饰处理,最后总结全文,对SnO_(2) ETL的发展进行展望。

钙钛矿太阳能电池界面缺陷及其抑制方法

目前,绝大多数高效有机-无机卤化物钙钛矿(OIHP)太阳能电池都是由多晶钙钛矿薄膜构成,这些多晶薄膜表面或晶界往往含有大量的缺陷,将导致光生载流子发生非辐射复合,并诱导OIHP材料分解,从而使器件的光电转换效率(PCE)和稳定性降低。本综述分析了钙钛矿太阳能电池的缺陷类型及缺陷对钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能的影响,详细介绍了通过钝化电极与传输层,或传输层与钙钛矿层间的界面缺陷以获得更高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,展望了钝化分子的设计思路及钙钛矿光伏商业化应用所面临的挑战。

钙钛矿太阳能电池的抗湿稳定性与形貌优化

为大幅改善钙钛矿太阳电池的光电转换效率和抗湿性能,增加其应用潜能,将4-叔丁基吡啶(tBP)作为添加剂添加至碘化铅(PbI_(2))前驱体溶液中,采用热场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)和紫外-可见分光光度计(UV-vis)对改性后的PbI_(2)-tBP薄膜和CH_(3)NH_(3)PbI_(3)-tBP薄膜进行观察和测试.实验结果表明,当加入tBP且浓度达到80μL/mL时,tBP与PbI_(2)结合形成造孔结构,更利于两步法中碘甲胺(CH_(3)NH_(3)I)溶液渗入PbI_(2)薄膜层内部,从而促进PbI_(2)薄膜转变成无PbI_(2)残留且表面平整的CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜.这样制成的钙钛矿太阳电池器件不仅具有良好的光电转换效率,还具有高抗湿稳定性.将未封装的器件暴露在大气下500 h,器件的光电转换效率仍能达到初始光电转换效率的82%,其应用前景大幅提升.

有机硅在钙钛矿太阳能电池中的应用

目前钙钛矿太阳能电池(PSCs)的性能已经可以和晶硅太阳能电池相媲美,但是其器件稳定性较差,不利于产业化应用。介绍了造成钙钛矿纳米晶不稳定的因素以及提高对应太阳能电池稳定性的主要策略,调研了近几年有机硅在PSC中的研究现状,详细探讨了硅烷偶联剂、硅树脂以及其他有机硅分子对钙钛矿薄膜的性质(如微观形貌、缺陷态密度、载流子输运以及离子迁移等)与电池器件性能(如光电转化效率和稳定性等)的影响机制,最后,展望了自交联有机硅材料在高效、稳定PSC中的发展趋势,以期为加快推进PSC产业化提供借鉴。

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。

基于受体_(1)-受体_(2)型聚合物给体的高效有机太阳能电池

设计合成了2种宽带隙聚合物给体,分别命名为PDTz-BDD和PDTz-BDT.其中, PDTz-BDT是一种典型的给-受体(D-A)型共轭聚合物, PDTz-BDD是具有受体_(1)-受体_(2)(A_(1)-A_(2))型结构的共轭聚合物.采用BTP-e C9作为受体,分别与PDTz-BDD和PDTz-BDT共混构建有机太阳能电池,系统研究了两种给体的光伏性能.研究结果表明,具有A_(1)-A_(2)型结构的PDTz-BDD表现出更强的光吸收能力、更明显的溶液聚集效应与更优良的器件形貌,相应的光伏电池可以实现更高的光电转换效率(10.36%).本文不仅设计合成了2种新型给体,而且为构建A_(1)-A_(2)型共聚物以开发高效聚合物给体提供了参考.

钙钛矿太阳能电池无机空穴传输材料的研究进展

有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)因高能量转换效率(PCE)和低制造成本而受到了广泛关注。尽管认证PCE已经高达26%,但在高温、高湿度和持续光照下PSCs的稳定性仍然明显落后于传统太阳能电池,这成为其商业化道路中最大的阻碍。开发和应用高稳定性的无机空穴传输材料(HTMs)是目前解决器件光热稳定性的有效方法之一,引入无机HTMs可以有效屏蔽水和氧对钙钛矿吸光层的侵蚀,从而避免形成离子迁移通道。本文概述了应用于有机−无机杂化钙钛矿太阳能电池的无机HTMs的分类和光电特性,介绍了相关研究进展,总结了针对无机HTMs器件的性能优化策略,包括元素掺杂、添加剂工程和界面工程,最后展望了无机HTMs未来的发展方向。下一步需要更深入地研究无机HTMs的微观结构及其与PSCs性能的关系,从而实现更高效、更稳定的PSCs器件。

退火温度对碳基全无机钙钛矿太阳能电池性能的影响

碳基全无机钙钛矿太阳能电池(carbon-basedall-inorganicperovskitesolar cells,C-PSCs)由于成本低、热稳定性好等优点逐渐引起人们的广泛关注,然而其效率要远低于传统的钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)。通过调控CsPbI_(2)Br薄膜的退火温度,改善薄膜质量。利用SEM、XRD表征分析了钙钛矿薄膜微观形貌以及物相结构,发现升高退火温度可有效提高CsPbI_(2)Br薄膜的结晶性从而减少其表面的孔洞。升高钙钛矿薄膜的退火温度,器件的光伏性能有显著提高,短路电流密度(J_(sc))从8.84 mA·cm^(-2)提高至12.14 mA·cm^(-2),开路电压(V_(oc))从0.93 V提高至1.06 V,最终能量转换效率(PCE)从2.75%提高至7.63%。研究结果表明,优化钙钛矿太阳能电池的制备工艺可以有效提高其光伏性能。