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.

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.

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.

基于协同钝化策略制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池由于可弯曲、重量轻、高功质比等特点,受到广泛关注.提升柔性钙钛矿太阳能电池转换效率最有效的策略是钝化钙钛矿薄膜内部的晶界缺陷以及钝化钙钛矿薄膜与电荷传输层的界面缺陷.本文设计制备了以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)为基材的柔性反式钙钛矿太阳能电池,采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride,OACl)添加剂及表面钝化的协同钝化策略,提高了钙钛矿薄膜的结晶质量,改善了钙钛矿薄膜内部及界面处的缺陷,并最终得到了光电转换效率为20.80%的柔性反式钙钛矿太阳能电池.本文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.

富勒烯吡咯烷衍生物的合成及其在反式钙钛矿太阳能电池中的应用

[目的]由于目前在反式钙钛矿太阳能电池中使用最广泛的富勒烯基电子传输材料[6,6]-苯基-C_(61)-丁酸甲酯(PCBM)存在合成复杂、成本高的问题,因此开发低成本、可溶液处理的新型富勒烯电子传输材料具有非常重要的意义.[方法]采用Prato反应一步合成两种低成本的新型富勒烯吡咯烷衍生物F1和F2,并将其作为电子传输材料应用于反式钙钛矿太阳能电池.通过紫外-可见吸收光谱和循环伏安法研究了这两种富勒烯分子的能级,并研究了由这两种富勒烯吡咯烷衍生物作为电子传输层的反式钙钛矿太阳能电池的光伏性能.[结果]含有苯甲酸酯侧链的F2比含有烷基酸酯侧链的F1具有更高的电子迁移率,因此对应的器件获得了更高的填充因子和光电转换效率.最终,以F2作为电子传输层的反式钙钛矿太阳能电池获得了最高19.86%的光电转换效率,这一结果与同等实验条件下制备的基于PCBM的对照器件的效率基本一致.[结论]本研究采用Prato反应一步合成了两种富勒烯吡咯烷衍生物,并发现侧链对其光伏性能有重大影响.该项工作对于开发兼具高效率和低成本的可溶液处理的富勒烯基电子传输材料的设计具有一定的参考价值.

上转换发光纳米材料对钙钛矿太阳能电池迟滞效应和离子迁移动力学的影响

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题,离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles,UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层,系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明:钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)最佳(16.27%),而且迟滞因子(Hysteresis Factor,HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程,证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用:一方面UCNP可以形成阻隔层,阻碍离子累积;另一方面,UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处,阻碍离子迁移,使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制,阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞效应的机理。本研究可以为调控钙钛矿太阳能电池迟滞提供一种有效的解决方案。

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。

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。

钙钛矿太阳能电池的稳定性因素及封装提升性能

钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池,具有光电转换效率高、成本低和加工灵活等优点,近年来发展迅速,虽然其光电转换效率逐渐可与硅电池相媲美,已接近工业应用水平,但钙钛矿太阳能电池工业应用核心问题是其稳定性。如何使钙钛矿太阳能电池长期保持高效率是研究人员需要解决的最大问题。目前,封装作为解决钙钛矿太阳能电池外部稳定性问题的手段之一已经被广泛研究,良好的封装不仅可以解决器件的稳定性问题,还可以保证器件的安全性,延长使用寿命。本文简要介绍了影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素及稳定性测试的条件。最后介绍了钙钛矿太阳能电池的不同封装结构、封装工艺和封装材料对封装性能的影响。随着封装研究的不断深入,研究人员将不断优化和解决存在的问题,最终实现钙钛矿太阳能电池的大规模产业化应用。

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。

BaTiO_(3)掺杂调控内建电场提升钙钛矿太阳能电池性能

碳基无空穴传输层钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)因其替换了昂贵的贵金属电极,以及去掉了稳定性差的空穴传输材料而受到广泛关注.但是C-PSCs内部载流子分离和传输性能差阻碍了效率的提高,而内建电场的增强可以改善载流子传输性能从而提升电池光电性能.本文将铁电材料钕酸钡(BaTiO_(3))粉末作为添加剂引入钙钛矿前驱液中制备C-PSCs,改善钙钛矿薄膜形态,降低薄膜缺陷密度及提高C-PSCs载流子传输性能.结果表明,当BaTiO_(3)质量分数为1.0%时,钙钛矿薄膜均匀致密,电池的光电转换效率最高.对薄膜施加正向电压极化处理后,铁电材料BaTiO_(3)剩余极化电场增大了内建电场,为载流子输运和萃取提供充足的动力,从而抑制非辐射复合的发生;同时耗尽层宽度增大,反向饱和电流减小,电池性能显著提升,优化后最佳器件效率为9.02%.本文为钙钛矿吸收层掺杂实现内建电场调控提供了一种有效策略.

基于氨基酸衍生物盐酸盐添加剂制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池的快速发展使其成为新能源领域最具竞争力的光伏器件之一,然而,其在功率转换效率(PCE)和稳定性方面仍有很大的改进空间.本文引入D-苯基甘氨酸甲酯盐酸盐(PGMECl)作为钙钛矿中的添加剂,PGMECl含有的苯环、酯基、—NH3+末端和Cl-离子等多个官能团共同作用,可与未配位的Pb2+反应,钝化钙钛矿中的缺陷,使钙钛矿晶粒更加致密、表面粗糙度下降、电荷载流子的非辐射复合减少,并通过调整能级排列,使其更适合在倒置钙钛矿太阳能电池中传输电荷.实验结果表明,PGMECl改性器件的冠军效率为21.04%,远高于基础器件(17.79%).迟滞的减少也说明离子迁移的减少.含有PGMECl添加剂的器件在空气中[相对湿度(RH)为(40±5)%]黑暗条件下未封装老化1000h后,功率转换效率仍可保持初始效率的70%,而基础器件在保存500h后效率降至50%.

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。

通过氢键调节钙钛矿结晶制备高性能的太阳能电池

为了调节钙钛矿薄膜的结晶动力学,降低其缺陷浓度,六氟磷酸甲胺(MAPF6)作为添加剂被引入钙钛矿前驱体溶液。傅里叶变换红外(FT-IR)和稳态发光(PL)光谱表明MAPF6和钙钛矿之间存在氢键作用。通过X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和空间电荷限制电流(SCLC)等表征发现,引入MAPF6之后,钙钛矿薄膜的晶粒尺寸变大,结晶度提高,缺陷浓度降低。最终,加入添加剂的器件效率得到提升,从20.77%(参比器件)提升至22.45%。

氢键调节的添加剂工程制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池

为了制备高性能的钙钛矿太阳能电池,甘氨酸盐酸盐(Gly^(+))被用来钝化薄膜缺陷。Gly^(+)作为添加剂被引入钙钛矿前驱体溶液。Gly^(+)和钙钛矿之间存在分子间相互作用,可以有效地控制结晶过程。引入Gly^(+)之后,钙钛矿薄膜的晶粒尺寸变大,结晶度提高。稳态荧光(PL)以及暗电流测试表明添加剂减少了器件的非辐射复合。与原始器件(20.13%)相比,添加剂的加入大大提升了器件效率,其最高值为22.35%;同时,器件的空气稳定性和热稳定性都得到改善。

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。

基于GO在Ge-基钙钛矿太阳能电池中的应用研究

采用GO作为空穴传输层,利用SCAPS-1D软件研究了FTO/TiO_(2)/CH_(3)NH_(3)GeI_(3)/IDL/GO/Al结构的钙钛矿太阳能电池的性能。该器件的性能受CH_(3)NH_(3)GeI_(3)/GO界面缺陷、CH_(3)NH_(3)GeI_(3)介电常数等因素的影响。

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.

Cs_(2)(Ag∶Cu)BiBr_(6)双钙钛矿太阳能电池

采用水热法合成了Cu^(+)掺杂的Cs_(2)AgBiBr_(6)双钙钛矿并基于其制备了太阳能电池。通过紫外-可见光吸收光谱、荧光发射光谱、X射线光电子能谱、单色光量子效率光谱及光电流-电压曲线等手段对其光电性能进行探究。研究发现,Cu^(+)掺杂能够显著增强Cs_(2)AgBiBr_(6)粉末样品的光学吸收,但对于薄膜样品几乎没有效果,这是由于Cu相双钙钛矿在溶于二甲基亚砜的过程中会发生分解。实验结果表明,当Cu^(+)掺杂量较低时,太阳能电池的光电转化效率显著提升,这是由于Cu^(+)掺杂对Cs_(2)AgBiBr_(6)薄膜结晶过程的调控作用,微量Cu^(+)掺杂能够显著降低钙钛矿薄膜的缺陷态密度。最终,基于Cu^(+)掺杂的太阳能电池获得了最高1.93%的能量转化效率。

Cs_(2)AgBi_(0.75)Sb_(0.25)Br_(6)钙钛矿太阳能电池的优化设计

双钙钛矿太阳能电池以其低成本、高性能、环境友好、稳定性强而备受关注.本研究使用Silvaco TCAD分析了Cs_(2)AgBi_(0.75)Sb_(0.25)Br_(6)太阳能电池的钙钛矿层厚度、能带偏移、金属电极功函数、传输层厚度及掺杂浓度与器件效率的关系,以提升器件性能.基于空穴传输层为Spiro-OMeTAD,电子传输层为ZnO的器件进行初始研究,其显示出12.66%的光电转换效率.结果表明,当钙钛矿层厚度大于500 nm时,效率趋于饱和.最佳导带偏移量为0—+0.5 eV,最佳价带偏移量为-0.1—+0.2 eV.在改变器件的电子传输层为ZnOS,空穴传输层分别为MoO_(3),Cu_(2)O和CuSCN的情况下,优化其厚度和掺杂浓度,最终空穴传输层为Cu_(2)O的双钙钛矿太阳能电池理论光电转换效率达22.85%,比目前报道的理论效率值相对提升了25.6%.此外,当金属电极功函数小于-4.9 eV时易实现最佳效率.本工作为开发高性能无铅钙钛矿太阳能电池提供了理论指导.