综合创新实验:碳基钙钛矿太阳能电池的制备与性能表征

实验教学对于化学专业学生的创新能力培养至关重要。通过综合实验教学,培养化学专业学生发现问题和解决问题的能力,增强学生对太阳能光伏器件的研究兴趣,树立科研信心,培养学生的创新能力。采用表面工程提高可刮涂的碳基钙钛矿电池的性能,促进界面层间的空穴传输和钙钛矿/碳界面接触,提高电池器件的转换效率。该实验可操作性强,安全性高,可以直观感受光能与电能之间的转化,深入理解光伏器件的工作原理。

高效无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

碳基钙钛矿太阳能电池因稳定性高、成本低廉而备受关注,但由于钙钛矿与碳电极之间能级匹配度不高,界面阻力大而导致效率不及金属基钙钛矿太阳能电池.本文制备了碳基无空穴传输层FTO/c-TiO_2/mTiO_2/CH_3NH_3PbI_3/Carbon电池结构.通过对介孔二氧化钛层、钙钛矿层厚度进行优化,并对钙钛矿的薄膜形貌及钙钛矿激发电子寿命、可见光吸收度、载流子的提取与分离等进行深度分析,讨论了电池效率提升的内在机理.当介孔氧化钛层和钙钛矿层达到最优厚度时,钙钛矿太阳能电池获得了开路电压(V_(oc))为0.93 V、电流密度(J_(sc))为21.75 mA/cm^2、填充因子为55%、光电转化效率达到11.11%.同时对电池进行了稳定性研究,在室温湿度为40%—50%的条件下放置15 d电池性能依旧稳定保持原来的95%,优于金属基钙钛矿太阳能电池,从而为碳电极钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了可能.

在空穴传输层聚(3-己基噻吩)中添加1,8-二碘辛烷改善碳基钙钛矿太阳能电池的性能

无空穴传输层的碳基钙钛矿太阳能(PSCs)电池拥有成本低、制备步骤简单、稳定性高的优点,应用前景广阔.但是碳电极与活性层的直接接触,导致器件的光电转换效率普遍低于其他金属电极的钙钛矿太阳能电池.本文使用聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为器件的空穴传输层,相比传统的有机空穴传输层材料Spiro-OMeTAD,具有低成本和易于制造的优点,并通过在P3HT中掺杂1,8-二碘辛烷(DIO)的方法优化其光电性能,提升了载流子的迁移率,阻挡电子的运输,降低界面复合,改善了碳电极与器件的界面接触,提高了短路电流J_(sc)和填充因子FF,使器件的初始光电转换效率从14.06%提升至15.11%.器件在氮气环境下测试稳定性,连续光照1000 h后器件的转换效率仍保持在98%以上.

聚苯乙烯作为粘结剂的碳基钙钛矿太阳能电池的研究（英文）

碳电极具有成本低、制备方便、效率高等优点,在钙钛矿太阳能电池中具有广阔的应用前景.首次使用聚苯乙烯作为制备碳电极的粘结剂,实验结果表明,聚苯乙烯作为粘结剂对钙钛矿太阳能电池的性能有显著影响.通过优化聚苯乙烯浓度的量,碳基钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到了8.20%,在存储15 d后,光电转换效率仍保持初始值的82%.

高效热稳定碳基钙钛矿太阳能电池的制备技术探究

太阳能作为一种绿色环保的技术受到人们的广泛关注,但由于太阳能电池存在自身缺陷,难以实现更大规模的推广。因此,薄膜光伏半导体材料应运而生。其中,卤化物钙钛矿(HPV)材料的应用使太阳能电池的光电转换效率提升了20%以上,但仍与理论值存在一定的差距,所以该材料的效率还存在提升空间。基于此,该文主要研究了CsPbI2Br钙钛矿材料的集成器件的吸光性能、光电转换效率等,促进高效的热稳定碳基钙钛矿太阳能电池的制备技术的发展进步。

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。

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。

基于吸收层缺陷调控制备碳电极钙钛矿太阳能电池

缺陷调控是提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率和稳定性的有效策略之一。通过功能添加剂可有效地钝化钙钛矿层缺陷,从而提高钙钛矿太阳能电池的性能。系统研究了六甲基磷酰胺(HMPA)对钙钛矿层中缺陷的钝化,通过HMPA与钙钛矿薄膜表面和内部未配位的Pb2+形成稳定络合物,从而控制钙钛矿晶粒的成核和生长速率,以促进高质量钙钛矿薄膜的形成。分析了HMPA添加量对钙钛矿薄膜和电池器件光电性能的影响,获得了光电转换效率为13.89%的器件,与未加入HMPA处理的器件相比较,器件的光电转换效率和稳定性都有所提高,该策略为制备高效稳定的碳基钙钛矿太阳能电池提供了参考。

空气中制备碳基无空穴传输层CsPbI_(2)Br钙钛矿太阳能电池研究

基于无机CsPbI_(2)Br的碳基无空穴传输层钙钛矿太阳能电池(carbon based hole transport material freeperovskite solar cells,C-PSCs)具有成本低、易制备和稳定性好等优点而受到广泛关注。研究了空气环境下制备高效稳定的平面异质结CsPbI_(2)Br C-PSCs的2种制备工艺。首先,通过对反溶剂材料的种类及用量、钙钛矿前驱体溶液浓度等参数的优化,在反溶剂为800μL、钙钛矿前驱体溶液浓度为1.2 mol/L的条件下,采用一步溶液法成功制备了光电转换效率为9.87%的CsPbI_(2)Br C-PSCs。其次,为摆脱一步溶液法对有毒反溶剂的依赖,引入低温预退火工艺,通过对预退火时间及温度、钙钛矿前驱体溶液浓度等参数的优化,在空气环境下,预退火温度为80℃、钙钛矿前驱体溶液浓度为1.6 mol/L且未使用反溶剂的条件下获得了10.52%的最佳光电转化效率,同时CsPbI_(2)Br钙钛矿的退火温度可降低至240℃,并且未封装的器件在空气环境下显示出了较好的稳定性。

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.

两步沉积法制备锡基钙钛矿及其全溶液工艺太阳能电池性能

两步沉积法中胺盐的传统溶剂异丙醇会对锡基钙钛矿产生严重破坏,因此探索其他溶剂制备锡基钙钛矿非常重要。利用4-甲基-2-戊醇取代异丙醇充当胺盐的溶剂,并在胺盐中添加苯乙基溴化胺(PEABr),通过两步沉积法制备了锡基钙钛矿薄膜及全溶液工艺太阳能电池。实验结果表明,相比于异丙醇,使用4-甲基-2-戊醇作为胺盐溶剂,可降低对锡基钙钛矿的破坏作用,促进锡基钙钛矿结晶成膜,原因可能是该溶剂分子的烷基部分可以增加对羟基的空间位阻。但未添加PEABr时,制备的FASnI3薄膜存在许多针孔,器件光电转换效率(PCE)仅为0.24%;在添加摩尔占比为0.3(n(PEABr)/n(FAI+PEABr)=0.3)的PEABr时,制备的锡基钙钛矿薄膜针孔减少,致密度提高,表面形貌得到改善。利用全溶液工艺制备的基于该薄膜的太阳能电池PCE达到4.15%。该研究有助于促进两步沉积法制备锡基钙钛矿薄膜及其光伏器件的进一步发展。

NiO_(x)介孔层的成膜过程对碳电极钙钛矿太阳能电池性能的影响

碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)具有稳定性好且成本低的优势,展现出广阔的应用前景。本研究基于MAPbI3材料,选择高质量的NiO_(x)介孔层作为空穴传输层(HTL),对比了NiO_(x)介孔层不同制备方法对电池性能的影响,并对NiO_(x)介孔层的厚度进行优化。研究发现,与旋涂工艺制备的NiO_(x)介孔层相比,丝网印刷工艺制备的介孔层的孔径分布均匀,可改善钙钛矿(PVK)前体溶液填充在介孔支架中的填充状态。最终得到含HTL的高效率和低滞后的钙钛矿太阳能电池,其开路电压(VOC)为910 mV,光电转换效率(PCE)为14.63%,认证效率达14.88%。此外,在空气中储存近900 h,其PCE没有明显衰减。

In^(3+)掺杂显著提高碳基CsPbI_(2)Br钙钛矿太阳能电池性能

碳基全无机CsPbI_(2)Br钙钛矿太阳能电池具有成本低、器件结构简单、稳定性好等优点,是一种很有前景的光伏电池。然而,其能量转换效率仍然过低,主要原因在于难以获得质量良好的CsPbI_(2)Br薄膜。为了获得质量良好的CsPbI_(2)Br薄膜,通过在CsPbI_(2)Br钙钛矿前驱体溶液中添加InI_(3),将In^(3+)掺杂到CsPbI_(2)Br晶体结构中以改善钙钛矿薄膜的质量。利用SEM和XRD对钙钛矿薄膜的微观形貌及晶体结构进行表征分析,并系统地测试了器件的光伏性能,包括开路电压、短路电流密度、填充因子、能量转换效率、外量子效率和积分电流密度。结果表明:In^(3+)掺杂可调控CsPbI_(2)Br晶体的生长,通过提高其结晶性获得了致密、无孔洞的高质量钙钛矿薄膜;同时,通过调控InI_(3)的添加量,优化了In^(3+)掺杂的比例,当InI_(3)添加量(质量分数)为0.5%时CsPbI_(2)Br钙钛矿太阳能电池的光伏性能提高更为显著,其器件能量转换效率从7.59%提高至11.16%,开路电压从1.04 V提高至1.22 V。

掺杂质子化石墨相氮化碳增强碳基太阳能电池中钙钛矿的结晶质量

钙钛矿层的品质极大影响钙钛矿太阳能电池性能.然而,在溶液法生成多晶钙钛矿膜过程中会不可避免地形成缺陷和陷阱位.通过在钙钛矿层中嵌入添加物改善钙钛矿晶化,用于减少和钝化缺陷是非常重要的.本文合成一种环境友好的二维纳米材料质子化石墨相氮化碳(p-g-C_(3)N_(4)),并掺杂于碳基钙太阳能电池的钙钛矿层中.实验证明,在钙钛矿前驱体溶液中添加p-g-C_(3)N_(4)不仅能调解碘铅甲胺(MAPbI_(3))结品的成核和生长速率,获得大晶粒尺寸的平滑表面,还能减少钙钛矿层的本征缺陷.质子化过程在氮化碳表面引入活性基团-NH_(2)/-NH_(3),它们和钙钛矿晶体表面N-H键发生强化学作用,有效地钝化电子陷阱,提高钙钛矿结晶质量.结果表明,与不掺杂的对照电池(效率为4.48%)和掺杂石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))电池(效率为5.93%)相比,掺杂质子化石墨相氮化碳(p-g-C_(3)N_(4))的电池获得了6.61%的较高效率.本工作展示了一种通过掺杂改性添加物改善钙钛矿膜的简单方法,为碳基钙钛矿太阳能电池的低成本制备提供了建议.

碳材料在染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池对电极中的应用进展

染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池是目前太阳能电池领域的研究热点,但这两种电池中使用的传统对电极材料,如Pt和Au等稀有且价格昂贵,不利于大规模量产。碳材料作为除Pt,Au等之外的另一种候选材料,其种类丰富且成本低廉,作为对电极应用在这两类电池中具有逐渐接近甚至超越传统电池的光电转换效率,表现出良好的应用前景。本文综述了作为两类电池对电极的碳材料具备的结构、性能及对电池光伏性能的影响,着重介绍各种形式的碳材料应用于对电极的最新研究进展,并指出现有研究存在的局限性与待解决的问题,讨论了碳材料对电极未来的研究方向。

染料敏化太阳能电池碳基复合对电极材料研究进展

当前能源供应主体仍为化石能源,由此带来的负面效应日益凸显,因此迫切需要清洁高效、可再生能源以维持可持续发展,太阳能就属于这一类能源.利用太阳能的主要形式为太阳能光伏效应发电.染料敏化太阳能电池(DSSC)为第3代太阳能电池,因制作简便、成本低廉、光电转换效率高而受重视.作为该电池重要组成部分的对电极的主要功能为:收集来自外电路的电子并催化还原电解液中的碘对离子(I-/I-3).组成对电极的材料种类繁多、功能各异.该文综述碳基复合对电极材料的研究进展,主要包括:(1)碳基金属氧化物复合对电极;(2)碳基金属硫化物复合对电极;(3)碳基硫化物异质结构复合对电极材料.

柔性钙钛矿太阳能电池进展探讨

柔性基底钙钛矿太阳能电池具有可卷曲、重量轻、韧性好、可实现成卷连续生产和应用广泛等优点,极大地拓宽了应用范围,其最高光电效率已接近25%。面向钙钛矿电池结构,梳理不同柔性基底制备电池的研究进展,分析不同制备条件下柔性电池的性能差异,探讨柔性电池产业化面临的主要问题,展望柔性电池的发展方向。

大连理工大学物理学院副教授王敏焕 精确调控钙钛矿电池 有效利用太阳能资源

近年来,碳达峰与碳中和成为全网热词。这是中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求做出的重大战略决策。太阳能作为可再生能源,其自身拥有的性能一直备受关注。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近年来发展最快、最具活力的研究领域。硅是太阳能电池最理想的基础材料,但随着新材料的发展,以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出广阔的前景。钙钛矿材料因具有优异的半导体特性,且成本低、效率高、原材料丰富、可柔性化等优点使得钙钛矿太阳能电池(PSCs)成为高效太阳能电池的领跑者,被认为是最有望突破现有光伏技术瓶颈的变革性技术之一。

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

自2009年以来,有机-无机卤化物钙钛矿因其独特的光学和电学性能,在光电材料领域受到了广泛的研究,尤其是Pb基的卤化物钙钛矿太阳能电池,目前光电转换效率高达创纪录的约25.2%,显示出强大的商业化潜力。然而,Pb元素的毒性及因而导致的环境隐患问题,一直是其产业化过程中的顾虑之一。因此,寻求能替代Pb的环境友好的元素,是一个十分重要的课题。Pb基钙钛矿材料优异的光电特性来源于Pb^(2+)的最外层6s2孤对电子,与Pb元素同主族的Sn元素能够形成三维钙钛矿结构且同样具有惰性5s2外层电子结构,因而是替代Pb的首选。本文系统地介绍了Sn基钙钛矿的光学和电学性质,并从薄膜制备方法和不同的器件结构方面介绍Sn基钙钛矿太阳能电池的最新进展。

碳电极在钙钛矿太阳能电池中的研究进展

钙钛矿太阳能电池因具有成本低廉、制备工艺相对简单、光电转换效率高等优点而受到重点关注。为了进一步在较高的光电转换效率的基础上降低其成本,研究人员以碳替代贵金属作为电池的对电极,在不使用昂贵的空穴传输层情况下,将光电转化效率从6.64%提升到15.03%。根据碳电极在钙钛矿太阳能电池中应用的情况,介绍了碳电极的导电机理、组成结构、制备方法和应用技术,并对其应用前景进行了展望。