采用硫氰酸铵添加剂的高效天蓝色钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿发光器件具有可溶液加工、高发光效率和良好色纯度等诸多优良特性,受到了广泛的关注,但蓝色钙钛矿发光器件发光效率和光谱稳定性等方面的问题限制了钙钛矿材料在照明和显示领域的进一步发展.本工作研究硫氰酸铵添加剂对准二维混合卤化物钙钛矿薄膜形貌、结晶度、光物理和电致发光特性的影响.结果表明硫氰酸铵能有效钝化准二维混合卤化物钙钛矿薄膜的缺陷,提高结晶度,调节相分布,从而改善其电荷传输特性和发光效率.硫氰酸铵浓度为20%的准二维钙钛矿发光二极管的发光峰值波长位于486 nm处,器件的最大外量子效率为5.83%,最大亮度为1258 cd/m~2,分别比未添加硫氰酸铵的器件提升了 6.7倍和3.6倍,同时器件发光光谱稳定性和驱动稳定性也得到了明显的提升.本研究为提高蓝色准二维混合卤化物钙钛矿发光二极管的特性提供了一种简单有效的方法.     

有机-无机杂化钙钛矿材料的本征稳定性

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逾24%,效率的飞速提升加之可低成本溶液法制备的市场优势,使人们越来越期待钙钛矿太阳能电池的商业化.目前钙钛矿太阳能电池商业化所面临最大的障碍是材料乃至器件的长期不稳定性,这使其无法在使用寿命上与已商品化的硅基等太阳能电池匹敌.本文从化学不稳定性和相不稳定性两个层面剖析了有机-无机杂化钙钛矿材料本征不稳定性的问题,并从组分设计及制备工艺等角度给出了提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的相关建议.     

扭曲二维结构钝化的钙钛矿太阳能电池

有机-无机钙钛矿材料是一种新兴的可溶液加工的薄膜太阳能电池材料.通过向钙钛矿中引入低维结构能够显著提高其材料稳定性和器件稳定性.首先,探究了一种双阳离子2, 2’-联咪唑(BIM)形成的铅基二维钙钛矿;然后,通过单晶衍射手段发现了一种新型的扭曲二维结构;最后,通过一步旋涂方法将这种扭曲二维结构引入到钙钛矿薄膜中,所得到的太阳能电池器件效率达14%,并且具有较好的稳定性.本文提供了一种新的钙钛矿薄膜的钝化体系,并且直接运用于太阳能电池器件的制备,为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了新的发展思路.     

基于芳香族配体的二维钙钛矿太阳能电池研究进展

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率得到了快速的发展，目前已经获得25.7%的认证效率，可与硅基太阳能电池相媲美。然而，PSCs的稳定性却远不如硅基太阳能电池，这限制了PSCs的使用。与此同时，二维（2D）或准二维钙钛矿材料受到了越来越多的关注，主要是因为大体积有机配体的引入明显地改善了材料的结构和环境稳定性。在2D PSCs领域，有机配体离子的设计和选择会直接影响材料的光电性能和器件的效率。目前，2D PSCs中所使用的有机配体主要分为脂肪族配体和芳香族配体。芳香族配体由于具有较大的介电常数、改善的电荷传输和可调控的组装结构等优点得到越来越多的关注。本文系统地总结了芳香族配体材料对2D钙钛矿性能的影响及其在2D PSCs领域的应用。     

影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素探讨

自从2009年首次报道采用有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池以来, 钙钛矿太阳能电池效率的快速提升引起了人们广泛的关注, 这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点, 引发了钙钛矿电池的研究热潮. 目前研究工作大多数集中在如何提高电池的光电转化效率, 但钙钛矿电池要真正实现产业化应用, 急需要解决材料及器件的稳定性问题. 本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素, 从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性, 从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性.     

钙钛矿中热载流子的超快光谱探测

热载流子能量耗散是太阳能电池效率损耗的主要来源之一。近年来,钙钛矿中的热载流子效应获得了研究人员的广泛关注。相比于传统半导体材料,钙钛矿具有较慢的热载流子冷却过程,有望利用这些热载流子,提高太阳能电池的能量转换效率,克服单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限。本文主要阐述了近几年人们利用超快光谱技术在钙钛矿中观测到的热载流子弛豫现象,总结了其热载流子的动力学特性;对钙钛矿中各种体系中热载流子冷却的机理进行了梳理,并讨论了钙钛矿中热载流子的传输特性和抽取方法;最后对钙钛矿中的热载流子弛豫过程的调控和其热载流子太阳能电池中的应用发展进行了展望。     

基于氟代苯乙胺有机阳离子的准二维钙钛矿发光二极管EI北大核心CSCD

近年来,钙钛矿发光二极管(PeLEDs)发展非常迅速,其性能得到了大幅提升,而构筑具有量子阱结构的准二维钙钛矿是开发高性能PeLEDs的有效方法之一。大尺寸有机阳离子是构成准二维钙钛矿的关键组分,对调节准二维钙钛矿的薄膜结构和光电性质具有重要作用。本文通过在铯铅卤化物(CsPb X3)钙钛矿中引入两种单氟取代的溴化苯乙胺(o-FPEABr(邻位取代)和p-FPEABr(对位取代)),采用无反溶剂的一步法制备了准二维钙钛矿薄膜和发光器件,研究了它们对准二维钙钛矿成相分布和器件性能的影响。研究发现,pFPEABr使准二维钙钛矿形成了大量的低维相,特别是具有强激子-声子耦合的二维相,而高维相含量较少。相反地,o-FPEABr能够有效地抑制低维相,并促进高维相的形成,有利于降低非辐射复合和提高辐射复合。形成能计算结果显示,基于p-FPEABr的低维相比基于o-FPEABr的低维相具有更好的热力学稳定性,导致了准二维钙钛矿中成相分布的差异,表明改变氟原子的取代位置能够调控准二维钙钛矿的结晶动力学过程,进而影响器件的发光性能。基于o-FPEABr,我们制备出高效的绿光和蓝光PeLEDs。其中绿光器件的最大外量子效率(EQE)达到了10.27%,发光峰位于521 nm;而蓝光器件的最大EQE也达到了8.88%,发光峰位于488 nm。     

界面修饰对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池性能的影响

作为近些年来最耀眼的明星材料之一,钙钛矿以其优异独特的光电特性成功吸引研究人员的广泛关注.自2009年报道了第一篇光电转换效率为3.8%的钙钛矿电池,到现在短短10年期间效率已经突破25.2%,几乎可以与商用多晶硅电池媲美.尽管其制备过程简单,但在薄膜的形成过程中很容易引入大量的缺陷.缺陷的存在会加速载流子的复合,阻碍载流子传输通道,不利于制备高效率的钙钛矿太阳能电池;同时也会影响钙钛矿电池工作的长期稳定性,加速材料的降解,阻碍了钙钛矿太阳能电池进一步商业化发展.因此,理解缺陷的存在机制并有效地抑制缺陷产生,对制备高性能长寿命器件至关重要.而界面修饰作为一种有效的钝化缺陷方法之一,已经被广泛使用.本文讨论了不同结构电池器件的缺陷产生位置及对器件性能的影响.分别从载流子传输层钝化策略和钙钛矿界面修饰策略入手,分析了常用的传输层/钙钛矿界面钝化缺陷的机制,指出了钝化策略发展的巨大优势,并对合适的钝化材料进行分类,希望能够对高重复性、高光电转换效率、长期工作稳定的钙钛矿太阳能电池发展提供有益的指导.     

赝卤素阴离子工程在钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

金属卤化物钙钛矿太阳能电池已经能够实现25.7%的认证光电转化效率，接近于晶硅太阳能电池26.7%的最高认证效率。众所周知，ABX3钙钛矿材料的晶体结构组分工程在实现高效和稳定的器件方面发挥着关键作用，尤其是近几年受到研究人员广泛关注的X位卤素阴离子组分工程。最近，研究人员在引入赝卤素阴离子作为钙钛矿晶体的掺杂组分、前驱体添加剂、薄膜后处理材料、电荷传输材料、界面钝化剂以及改性剂等方面开展了多项研究工作，结果证明赝卤素离子修饰是提高器件效率和稳定性的重要策略。本综述详细对比和总结了目前可用于钙钛矿太阳能电池的多种类型的赝卤素离子，并对其影响钙钛矿晶体薄膜形貌、光电特性、载流子迁移特性和器件光伏特性及稳定性等方面的深入机理和作用本质进行了深入总结。同时，本文还对目前尚未被探索开发的赝卤素离子进行了展望和分析，以期在未来研究中能有效促进钙钛矿太阳能电池光伏特性的提升。     

Ruddlesden-Popper型准二维钙钛矿温度依赖发光光谱研究

准二维Ruddlesden-Popper(R-P)卤化物钙钛矿具有优越的光电特性,在太阳能电池、发光二极管、激光器等光电器件中受到广泛关注,但严重影响载流子的弛豫和传输特性的激子-声子之间的相互作用还未得到充分揭示。与广泛研究的三维钙钛矿结构相比,准二维钙钛矿存在天然形成的量子阱结构,具有更大的激子结合能,激子效应更加明显,但对其激子-声子相互作用的研究仍然较少。因此,我们通过溶液法制备了准二维R-P型钙钛矿(PEA)₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1薄膜,其增益系数高达～1 090.62 cm^-1,获得了低阈值(～12.48μJ/cm²)的放大自发辐射。基于此,我们通过变温荧光光谱(77～300 K)和瞬态吸收光谱技术研究了(PEA)₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1薄膜随温度变化的发光特性,以阐述其内部的激子-声子相互作用对其发光性能的影响。发现在低温域内(77～120 K...     

Could two-dimensional perovskites fundamentally solve the instability of perovskite photovoltaics

The high efficiency and low production cost enable the halide perovskite solar cells as a promising technology for the next generation photovoltaics. Nevertheless, the relatively poor stability of the organic-inorganic halide perovskites hinders their commercial applications. In the past few years, two-dimensional (2D) perovskite has emerged as a more stable alternative to the three-dimensional (3D) counterparts and attracted intense research interests. Although many attempts and advances have been made, it is still ambiguous that whether the 2D perovskites could bring closure to the stability issue. To answer this essential question, a systematic study of the nature of 2D halide perovskites is necessary. Here, we focus on the stability investigations of 2D perovskites from different perspectives, especially light, heat, ion migration and strain. Several remaining challenges and opening problems are also discussed. With further material and device engineering, we believe that the 2D perovskites would promote perovskite solar cells to a promising future.     

Surface modulation of halide perovskite films for efficient and stable solar cells

As the main distribution place of deep-level defects and the entrance of water, the interface is critical to determining both the power conversion efficiency (PCE) and the stability of perovskite solar cells (PSCs). Suitable interface design can dramatically passivate interface defects and optimize energy level alignment for suppressing the nonradiative recombination and effectively extracting the photogenerated carriers towards higher PCE. Meanwhile, a proper interface design can also block the interface diffusion of ions for high operational stability. Therefore, interface modification is of great significance to make the PSCs more efficient and stable. Upon optimized material choices, the three-dimensional halide perovskite graded junction layer, low-dimensional halide perovskite interface layer and organic salt passivation layer have been constructed on perovskite films for superior PSCs, yet a systematic review of them is missing. Thus, a guide and summary of recent advances in modulating the perovskite films interface is necessary for the further development of more efficient interface modification.     

FA1-xCsxPbI3-yBry钙钛矿材料优化及太阳电池性能计算

甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)因其优异的光电性能而成为新兴太阳电池最具潜力的候选材料,但是稳定性较差成为制约其发展的主要瓶颈.通过离子掺杂可以有效地改善FAPbI3的稳定性,如通过共掺杂Cs^+和Br^-形成FA1-xCsxbI3-yBry钙钛矿材料,其耐热及耐水稳定性得到显著改善.本文利用第一性原理计算了FA1-xCsxPbI3-yBry(x=0.125,y=0-0.6)体系的几何结构、电子结构和光学性质.通过分析发现Cs^+和Br^-的掺入使得体系能量降低,FA0.875Cs0.125PbI2.96 Br0.04最稳定.利用等效光学导纳法模拟计算了平面结构钙钛矿太阳电池的吸收率、载流子收集效率、外量子效率、短路电流密度、开路电压和伏安特性.对于FA1-xCsxPb I3-yBry钙钛矿太阳电池,当x=0.125,y=0.04,厚度为0.5—1.0μm时,电池的短路电流密度均为24.7mA·cm^-2,开路电压为1.06 V.结果表明Cs^+和Br^-的共掺杂在没有降低电池短路电流的同时提高了体系的稳定性,可为实验上制备高效稳定的钙钛矿太阳电池提供理论参考.     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

Device simulation of quasi-two-dimensional perovskite/silicon tandem solar cells towards 30%-efficiency

Perovskite/silicon (Si) tandem solar cells have been recognized as the next-generation photovoltaic technology with efficiency over 30% and low cost. However, the intrinsic instability of traditional three-dimensional (3D) hybrid perovskite seriously hinders the lifetimes of tandem devices. In this work, the quasi-two-dimensional (2D) (BA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n=1, 2, 3, 4, 5) (where MA denotes methylammonium and BA represents butylammonium), with senior stability and wider bandgap, are first used as an absorber of semitransparent top perovskite solar cells (PSCs) to construct a four-terminal (4T) tandem devices with a bottom Si-heterojunction cell. The device model is established by Silvaco Atlas based on experimental parameters. Simulation results show that in the optimized tandem device, the top cell (n=4) obtains a power conversion efficiency (PCE) of 17.39% and the Si bottom cell shows a PCE of 11.44%, thus an overall PCE of 28.83%. Furthermore, by introducing a 90-nm lithium fluoride (LiF) anti-reflection layer to reduce the surface reflection loss, the current density (J_sc) of the top cell is enhanced from 15.56 mA/cm² to 17.09 mA/cm², the corresponding PCE reaches 19.05%, and the tandem PCE increases to 30.58%. Simultaneously, in the cases of n=3, 4, and 5, all the tandem PCEs exceed the limiting theoretical efficiency of Si cells. Therefore, the 4T quasi-2D perovskite/Si devices provide a more cost-effective tandem strategy and long-term stability solutions.     

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-TiO₂/m-TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/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/cm²、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.     

Modulation of light absorption by optical spacer in perovskite solar cells

Lead halide perovskite solar cells with planar heterojunction configuration have recently attracted tremendous attention because of their excellent power conversion efficiencies. The modulation of optical absorption by using an optical spacer layer is a unique method to enhance the device efficiency. Here, we demonstrate the application of thin ZnO layer that act as an optical spacer that enhance the power conversion efficiency perovskite devices from 8.92% to 10.7%, which is mainly due to increment in short‐circuit current density by 16% compared to the reference solar cell. The simulation data revealed that ZnO acts as an optical spacer layer that shifts length (average) of electric field |E|² distribution from 500 nm to 750 nm wavelength is 25 nm in the perovskite layer. Which represents that exciton generation region is moved to near the hole transport layer that enhances the exciton dissociation efficiency and device efficiency.     

新型空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的研究进展

钙钛矿太阳能电池是一种全新的全固态薄膜电池. 报道的能量转换效率已提高到19.3%, 成为可再生能源领域的热点研究方向. 空穴传输材料是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组分之一. 本文介绍了钙钛矿太阳能电池的基本结构, 对空穴传输材料的分子结构、能级水平和迁移率等对电池性能的影响进行了详细的总结和评述.     

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.