碘化铅钙钛矿太阳能电池综合实验教学研究

以碘化铅钙钛矿太阳能电池制作和光电性能评价为教学内容,进行太阳能电池综合实验课程建设。实验利用多种成膜方法制备氧化锌薄膜、钙钛矿薄膜、空穴传输层薄膜和金电极,最终组装成太阳能电池器件并研究碘化铅浓度对器件光电性能的影响。该综合实验项目将材料制备、材料物理性能、器件评价等理论知识串成知识链并以实验的形式体现。通过该综合实验的训练,构建学生的知识网络,并进一步提高学生的实践能力和思考解决问题的能力。

适用于太阳能电池的新型无铅四元硫碘化物优异光电性能的第一性原理研究

有机-无机混合卤化钙钛矿因优异的光电性能和制备简易而受到了许多国内外科研人员关注。然而,有机-无机杂化卤化钙钛矿的稳定性不佳和铅的毒性限制了其商业应用。四元硫碘化物,由于ns^(2)孤对阳离子和更强的金属-硫键,具有适当的带隙、高介电常数和良好的稳定性。本文提出了一种新的四元硫碘化物材料Ba_(2)BiS_(2)I_(3)以解决铅基钙钛矿所面临的稳定性和毒性问题。通过第一性原理计算,确定了该材料具有适当太阳能电池带隙、高介电常数、较小的有效质量和低激子结合能,有潜力成为新的优异光伏材料。此外,计算预测这些材料具有出色的光吸收性能。Ba_(2)BiS_(2)I_(3)的理论光谱极限最大效率超过28%。这项研究为无铅四元硫碘化物用于新的光伏材料提供了可能性。

锡铅混合钙钛矿太阳能电池垂直组分梯度的溶剂工程调控

带隙1.1~1.4 eV的锡铅混合卤化物钙钛矿是单结太阳能电池光电转换效率(PCE)接近Shockley-Queisser(S-Q)理论效率极限值的理想材料。钙钛矿薄膜垂直方向上的化学组分梯度会通过影响能带结构影响载流子的传输和分离,因此对锡铅混合钙钛矿薄膜的结晶过程进行控制十分重要。本研究发现使用不同剂量的反溶剂制备锡铅混合钙钛矿会形成不同的垂直组分梯度,并且随反溶剂用量增大薄膜表面铅含量增加。调整溶剂组分可以控制锡铅混合钙钛矿的垂直组分梯度,增大溶剂中V(DMSO):V(DMF)可以形成底部富铅而表面富锡的垂直组分梯度。当铅基前驱液溶剂中V(DMSO):V(DMF)最优化为1:2时,相比于1:4的对照组,器件在标准光照条件下的开路电压从0.725 V提高到0.769 V,短路电流密度从30.95 mA·cm^(-2)提高到31.65 mA·cm^(-2),PCE从16.22%提升到接近18%。利用SCAPS软件数值模拟进一步证明了垂直组分梯度的必要性,当钙钛矿薄膜底部富铅、顶部富锡时,载流子在空穴传输层界面区域的复合有所减少,因而电池性能得到提升。

单分子液晶添加剂在甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池中的应用

溶液制备的钙钛矿薄膜通常含有大量晶界,会降低薄膜结晶质量,导致缺陷复合,不利于提升器件性能。因此,制备更高结晶质量的薄膜来进一步提升能量转化效率是钙钛矿太阳能电池面临的挑战。液晶分子具有强的自组装能力和形貌调节能力,本研究引入一种向列型单分子液晶4-氰基-4′-戊基联苯(5CB)作为甲脒铅碘(CH(NH2)2PbI3,FAPbI3)钙钛矿前驱液的添加剂,可以增大钙钛矿晶粒尺寸,减少晶界。此外,5CB的氰基能钝化钙钛矿晶粒表面未配位的Pb^(2+),降低缺陷态密度,从而抑制非辐射复合。经过优化,添加0.2 mg/mL 5CB的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率达到21.27%,开路电压为1.086 V,电流密度为24.17 mA/cm^(2),填充因子为80.96%。本研究证明使用单分子液晶作为添加剂是提升FAPbI3钙钛矿电池性能的有效策略。

Au@Ag@SiO_(2)纳米棒等离子体对钙钛矿太阳能电池铅含量的降低策略

Pb基卤化物钙钛矿的环境毒性是阻碍钙钛矿光伏技术产业应用的重要因素。通过降低钙钛矿吸光层厚度来减少Pb的用量(即物理降铅)是降低铅基钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)环境毒性的重要方法,但吸光层厚度的降低将显著削弱电池的光捕获能力。通过调节Au@Ag@SiO_(2)纳米棒等离子体粒子的共振吸收波长与钙钛矿吸收光谱进行匹配,并将其引入TiO_(2)介孔层,利用金属等离子体粒子的局域表面等离子共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)产生的陷光效应实现了薄吸光层PSCs对长波长可见光的强化利用。当吸光层厚度从常规720 nm大幅降低到260 nm时,薄吸光层PSCs的光电转换效率仅下降14.1%(效率从19.1%下降到16.4%),但电池的Pb用量减少了63.9%。研究表明,利用金属等离子体粒子的LSPR效应可大幅减少PSCs的铅含量并同时保持较高的光电转换效率。

钙钛矿太阳能电池中铅的可控性研究进展

钙钛矿以其带隙可调、简易制备、可溶液可加工等独特优势在太阳能电池中显示出巨大的应用前景。本文基于PVKs进一步商业化应用中面临的问题,首先着重分析了电池中对铅源的可控性研究的重要性。其次,归纳了PVKs中采取的一些抑制铅泄露的可行性策略,并剖析了这些策略取得的成效。最后总结和展望了针对铅的可控性研究未来的侧重方向,希望助力PVKs的进一步发展。

羟基磷灰石对钙钛矿太阳能电池中铅的吸附研究

钙钛矿太阳能电池(PSC)稳定性不好,遇水容易导致有毒铅离子的释放,因此未能实现工业化。本研究采用湿沉淀法合成了两种纳米级的HAPs用于去除PSCs中降解出的Pb(Ⅱ)。采用Langmuir模型建立吸附等温线,HAP的最大吸附量可达1322.2mg/g(pH=5)。此外,将HAP用于制备新型PSC,与传统PSC相比,故障模拟过程中Pb(Ⅱ)释放量更少。

CsPbI_(2)Br基钙钛矿太阳能电池稳定性提升研究

全无机钙钛矿因具有适用于光电器件的带隙和优异的热稳定性与光学性能而受到人们的大量关注。然而,钙钛矿薄膜的低质量和高陷阱密度,以及CsPbI_(2)Br钙钛矿太阳能电池(PSCs)的低转换效率(PCE)和较大的能量损失,限制了这类器件的应用。首先,文章综述了全无机钙钛矿材料的晶体结构和稳定性,介绍了全无机铯铅卤化钙钛矿CsPbIxBr3-x(如CsPbI_(2)Br)的研究现状和发展前景,阐释了提高光电转换效率的几种常见途径(如界面工程、前驱体工程、表面钝化技术等)。其次,实验研究发现,在CsPbI_(2)Br基钙钛矿溶液中加入添加剂可使钙钛矿层更加致密,能提升器件稳定性。综述与实验研究为高性能CsPbI_(2)Br器件制造提供了新的见解。

少铅钙钛矿CH_3NH_3Sr_xPb_(1-x)I_3的合成及其在全固态薄膜太阳能电池中的应用

近年来,有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)得到了迅猛发展,其最高光电转换效率已经达到19.3%.该类型太阳能电池使用的钙钛矿型吸光材料为含Pb的有机-无机杂化铅卤钙钛矿,从长远来看,Pb的毒性将制约其大规模应用.本文从减少吸光材料中Pb的含量出发,尝试用Sr部分取代Pb制备一系列少铅钙钛矿CH_3NH_3Sr_xPb_(1-x)I_3,并将其应用于钙钛矿太阳能电池进行光电性能的研究.研究结果表明,相比于全Pb钙钛矿(CH_3NH_3PbI_3)材料,Sr取代量为30%(x=0.3)时,所形成的CH_3NH_3Sr_(0.3)Pb_(0.7)I_3光谱吸收大范围增强,但基于此材料制备的电池器件性能明显下降.

碘化铅残留对钙钛矿太阳电池性能影响

通过对一步法和两步法制备的钙钛矿电池器件的光电性能进行研究,发现2种方法制备的太阳电池主要性能参数有明显差异。一步法制备的器件有更大的短路电流密度（Jsc）和更高的填充因子（FF）,两步法制备的器件有更高的开路电压（Voc）。通过电容-电压（C-V）测量、外量子效率以及开路电压随光强变化,发现两步法中PbI2对器件性能的影响。PbI2在聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）和钙钛矿之间形成空穴阻挡层,有利于开路电压的提高,但对空穴传输和载流子收集有不利的影响。

碘化铅作为空穴传输层在P3HT：PC(61)BM聚合物太阳能电池中的增强效果

开发了一类新型阳极界面缓冲材料PbI_2,制备了结构为ITO/PbI_2/P3HT:PC_(61)BM/Al(氧化铟锡导电玻璃/碘化铅/聚三已基噻吩:富勒烯衍生物/铝)的器件,制备工艺包括旋涂和蒸镀,考察了PbI_2在聚合物太阳能电池原型器件ITO/P3HT:PC_(61)BM/Al中的效果。不同碘化铅浓度,退火温度,退火时间,对PbI_2薄膜的质量都会有影响。很显然,高质量的PbI_2薄膜将会带来好的光电转化效率。PbI_2薄膜的透光性,结晶性,以及表面形貌可以用来描述所成薄膜的质量好坏。对能带来最好性能的碘化铅薄膜进行了紫外-可见光谱,X射线粉末衍射(XRD),原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)等表征。实验发现,太阳能电池器件的效率对PbI_2浓度比较敏感,最优化的条件为,旋涂浓度为3 mg?m L^(-1),100°C退火30 min,其电池的开路电压(Voc)达到0.45 V,短路电流密度(Jsc)为7.9 m A?cm^(-2),填充因子(FF)为0.46,与没有界面缓冲材料的器件相比,光电转换效率(PCE)由0.85%提高到1.64%。

铅基钙钛矿太阳能电池界面工程的研究

在wxAMPS太阳能电池数值模拟软件微平台上,对ITO/ZnO/界面层(IFL)/MAPbI_(3)/Sprio-OMeTAD/Au结构的钙钛矿太阳能电池(PSCs)的电子传输层(ETL)/吸收层的界面工程进行研究。结果表明:在界面层缺陷密度低于10^(14)cm^(-3)时,PSCs的电池性能几乎不变,当缺陷密度高于10^(14)cm^(-3)时,PSCs的电池性能急剧下滑。当界面层与吸收层亲和势差(Δχ)在-0.7~-0.1 eV范围时,各项电池性能参数均随Δχ的增大而增大;当Δχ在-0.1~0.5 eV范围时,各项电池性能呈平缓增长;当Δχ大于0.5 eV时,电池的短路电流(J_(SC))呈平缓增长趋势,而开路电压(V_(OC))、填充因子(FF)及光电装换效率(PCE)快速降低。当带隙E_(g)在0.9~1.4 eV范围内增大时,PSCs的V_(OC)、FF和PCE均上升;当带隙E_(g)大于1.4 eV,PSCs的各项性能参数基本不变。

少铅/无铅钙钛矿太阳能电池研究进展

钙钛矿太阳能电池作为一种新型的低廉高效的光伏材料在近年来备受关注。铅基钙钛矿太阳能电池有光电转换效率高、成本低、易制备等优点,然而由于铅的毒性以及由此带来的环境污染问题在很大程度上限制了其进一步商业化应用。因此人们开发出一系列新型无毒或低毒钙钛矿材料用于制备环境友好的少铅/无铅钙钛矿太阳能电池。本文简明扼要地介绍了钙钛矿材料的结构和形成条件,着重回顾了Sn基钙钛矿太阳能电池的发展历程,对ⅣA族元素Ge,ⅡA族元素Mg、Ca、Sr和Ba,ⅤA族元素Bi和Sb,ⅢA族元素In以及过渡金属元素Cu等取代或部分取代Pb,以及通过调节卤素X与正离子A的组成及配比来调控少铅或无铅钙钛矿材料性能进行了总结,对少铅/无铅钙钛矿太阳能电池器件研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望。

卤化铅钙钛矿量子点太阳能电池的进展与展望

卤化铅钙钛矿量子点太阳能电池性能优异,应用潜力巨大。本文从应用角度出发,介绍了卤化铅钙钛矿量子点材料的特点,阐述了无机铅钙钛矿量子点电池和有机⁃无机杂化铅钙钛矿量子点电池的研究进展,最后从铅钙钛矿量子点电池的含铅问题、表面化学性质、杂化问题三方面讨论了未来量子点太阳能电池的研究思路。

窄带隙半铅锡钙钛矿太阳能电池研究

半铅锡钙钛矿太阳能电池因具有窄带隙、低毒性的优点,已成为钙钛矿太阳能电池研究的热点.但是铅锡钙钛矿成膜质量差,限制了电池效率的提高.通过在前驱液中加入二甲基亚矶延缓薄膜结晶速率,制备了致密无孔洞的高质量薄膜.同时,使用氟化锡和富勒烯衍生物分别减少了钙钛矿晶格中以及晶界与界面处的缺陷,提高了器件效率.通过上述手段制备的半铅锡钙钛矿太阳能电池效率可达15.1%.

无铅或少铅钙钛矿CH_3NH_3M_(1-x)Pb_xX_3(M=Sn,Sr;X=Cl,Br,I)太阳能电池的研究进展

本文综述了Sn^(2+)或Sr^(2+)取代的无铅或少铅钙钛矿CH3_NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)的结构及其主要的制备方法,评述了各种方法的优缺点。简要介绍了无铅或少铅钙钛矿材料的能隙以及材料的稳定性对太阳能电池的影响,并对其发展前景进行了展望。

水杨酸的添加对全无机锡铅混合钙钛矿太阳能电池的影响

全无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其优异的光电转换效率和高的环境稳定性而被广大学者关注,但Pb元素的使用对环境危害较大限制了其进一步应用。尽管科研人员目前在努力寻找一种危害较小的元素替代铅,但无铅钙钛矿仍然比含铅钙钛矿更易分解,性能也更低。本文采用Sn部分取代Pb制备得到全无机锡铅混合钙钛矿薄膜,并通过添加一定量的水杨酸从而抑制Sn^(2+)氧化为Sn^(4+),达到稳定相态提升电池光电转换效率的目的。结果表明随着水杨酸的添加量由2 mg·mL^(-1)增加至6 mg·mL^(-1),器件的光电转换效率先增大后降低。通过SEM、XRD、XPS等测试结果发现,当添加量为4 mg·mL^(-1)时,薄膜相稳定性最好,与不添加水杨酸的器件相比,其短路电流密度(J_(sc))从14.7 mA·cm^(-2)显著提高至15.1 mA·cm^(-2),光电转换效率由5.8%提高至6.5%。此外,最优器件在空气环境中存放5 d后,初始光电转换效率仍可保持原有效率的50%,进一步表明水杨酸的添加对锡铅混合钙钛矿相稳定性的提升具有一定的促进作用。

太阳能电池用无铅或少铅三维钙钛矿光吸收材料的研究进展

钙钛矿太阳能电池因其优异的光电转换效率和较低的制作成本成为近十年来研究的焦点。然而目前报道的光电转换效率超过20%的钙钛矿太阳能电池均基于铅基钙钛矿材料制备,且稳定性不够理想,制约了钙钛矿电池的工业化生产。近年来,少铅或无铅钙钛矿太阳能电池的发展获得了越来越多的关注。虽然目前关于无铅和少铅钙钛矿的报道很多,但是还没有一种合适的材料可以替代Pb基钙钛矿用来制备高效的太阳能电池。文章认为未来无铅或少铅钙钛矿太阳能电池的研究工作应该着眼于钙钛矿化学成分的调控、钙钛矿沉积方法的优化以及电池界面的修饰。随着越来越多的研究者投入到环境友好钙钛矿太阳能电池的研究中,高效稳定的无铅或少铅钙钛矿电池将很快面世。

基于无铅钙钛矿太阳能电池及电池稳定性的研究进展

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池作为新型薄膜太阳能电池异军突起。自2009年日本学者首次将卤素铅钙钛矿材料应用于染料敏化电池获得3.8%的光电转化效率,至2020年香港城市大学将其记录刷新至25.5%,这种发展速度是其他太阳能电池不可比拟的。目前高效率电池中都含铅、以及钙钛矿材料在湿热条件和空气中的不稳定性,这些限制了钙钛矿太阳能电池的实际应用。文章简明扼要地介绍了钙钛矿材料的结构和性质、钙钛矿太阳能电池结构与原理,以及光吸收层钙钛矿薄膜的几种典型制备方法;着重对无铅钙钛矿电池材料制备和卤素铅甲基氨的铅位替代来得到的无铅钙钛矿太阳能电池,另外对钙钛矿材料表面进行修饰处理来提高钙钛矿太阳能电池在空气和湿热条件下的稳定性研究进展进行综述。

新型钙钛矿太阳能电池的研究进展

太阳能光伏发电是解决目前日益严重的能源与环境问题的一种有效手段,在最近几年里,新型钙钛矿太阳能电池得到迅猛发展,其最高光电转换效率已经达到20%,已成为可再生能源领域的研究热点之一。钙钛矿太阳能电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳能电池,具有能量转换高和成本低的优点且其核心光电转换材料具有廉价、容易制备的特点,因此获得了学术界的特别关注。首先总结了钙钛矿太阳能电池的结构与原理,然后综述了钙钛矿太阳电池在结构和材料方面的最新研究进展,特别是无铅钙钛矿太阳能电池的一些研究,最后分析了钙钛矿太阳能电池的发展趋势及发展中亟需解决的问题。