Sn类钙钛矿太阳电池薄膜的掺杂改性研究

采用一步法分别制备了Sn类CH3NH3Sn I3和Pb类CH3NH3Pb I3钙钛矿太阳电池薄膜材料,并对其表面形貌、微观结构、吸收光谱和电池器件性能进行了表征和测试。研究结果表明:Sn类钙钛矿材料的吸收光谱相对于Pb类钙钛矿材料发生了明显的红移,吸收截止波长从800 nm上升到950 nm左右,光学带隙由1.45 e V降低至1.21 e V左右;Sn类钙钛矿材料的光谱吸收范围明显扩大,但吸收强度有所降低,相应太阳电池器件的光电转换效率也明显低于Pb类钙钛矿太阳电池,分别为2.05%和6.71%。而Br的掺杂可使Sn类钙钛矿材料带隙变宽,吸收光子能量增大,电池器件的开路电压也相应提高。当Br含量由0增加至完全替代I时,Sn类钙钛矿材料逐渐由黑褐色转变为黄色,光学带隙增大至1.95 e V,但吸收截止波长由950 nm降低至650nm。值得提及的是当Br含量为0.5时,电池器件的光电转换效率可由最初的2.05%提升至2.94%。     

环境友好型无铅卤化物钙钛矿太阳能电池研究进展

ABX_3(A为甲胺、甲脒等有机离子或铯离子,B为铅或锡等金属离子,X为溴、碘等卤化物离子)卤化物钙钛矿材料具有优异的光电特性,是当前太阳能电池研究的前沿和热点之一。然而,这类太阳能电池普遍面临含毒性元素铅和稳定性差等问题,极大地阻碍了钙钛矿太阳能电池商业化应用进程。因此,发展新型高效无铅钙钛矿太阳能电池势在必行。本文评述了环境友好型无铅卤化物钙钛矿太阳能电池的最新研究动态和进展,探讨了该类太阳能电池的制备、性能及其稳定性等问题,展望了其未来发展趋势。     

反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池

近年来,有机无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初3.8%提升到现在的21.0%.快速的效率提升主要得益于钙钛矿材料本身的光电特性—适宜的直隙半导体禁带宽度、较低的激子束缚能、较高的摩尔消光系数、优良的载流子双极性扩散特性.然而,高效率钙钛矿太阳能电池的器件稳定性和迟滞效应现象仍未得到很好的改善,是当前急需要解决的挑战性难题.本文首先回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历程和器件结构的演变,结合本课题组在反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,试图阐明一些由电池结构带来的本质性差异和一些设计实现钙钛矿太阳能电池高效率、高稳定性、消除迟滞效应的普遍规律.着重总结了基于聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)基与NiO基两类p型空穴传输材料的反式结构钙钛矿电池方面的代表性研究进展.     

钙钛矿基近红外光电探测器

近年来,具有ABX₃晶体结构的金属卤化物钙钛矿材料因其可调带隙、高吸收系数、长载流子传输距离等光电学特性而在光电探测领域表现出良好应用前景,尤其是基于纯Sn或者Sn/Pb混合阳离子制备的杂化钙钛矿在760～1050nm范围的近红外光电响应性能非常优异,展现出高灵敏度、低暗电流和高探测率等多方面优势。为进一步拓宽钙钛矿的近红外以及红外响应波长范围,研究人员探索了将有机材料、晶体硅/锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅳ-Ⅵ族化合物、上转换荧光材料等作为互补光吸收层与钙钛矿结合制备异质结来构筑出宽谱响应的近红外光电探测器。基于以上研究,本文总结了当前拓宽钙钛矿光电探测器的光谱范围的有效途径。同时,对钙钛矿材料的近红外光电探测器的未来发展前景作出了展望。     

少铅钙钛矿CH3NH3SrxPb(1-x)I3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CH₃NH₃Sr_xPb_(1-x)I₃, 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(CH₃NH₃PbI₃)材料, Sr 取代量为30% (x=0.3)时, 所形成的CH₃NH₃Sr_0.3Pb_0.7I₃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.     

反溶剂法快速合成高效发光二维锡卤钙钛矿材料

铅卤钙钛矿材料由于其优异的光电性质而受到了广泛关注. 但是, 材料中铅的毒性问题极大地阻碍了其大规模应用. 因此, 寻找与铅卤钙钛矿具有相似光电性质的非铅卤化物钙钛矿材料十分重要. 其中, 锡基卤化物钙钛矿被认为是铅基钙钛矿材料最佳的替代材料之一. 本文通过简便的反溶剂方法, 合成了一系列新型二维(RNH₃)₂SnX₄(R为烷基链, X=Br^-, I^-)钙钛矿材料. 研究结果表明, 所合成的材料具有优异的荧光发射性质, 发光量子效率高达98.5%, 比三维ASnX₃[A=Cs⁺, 甲胺(MA⁺), 甲脒(FA⁺)等]型钙钛矿表现出更好的稳定性. 本文所采用的合成方法简单易行, 有利于实现金属卤化物钙钛矿材料的大规模合成及在固态照明器件和显示器件领域的工业应用.     

多维CsPbX3无机钙钛矿材料的制备及其在太阳能电池中的应用

近年来全无机CsPbX₃(X=Cl、Br、I)型钙钛矿材料由于其高吸光系数、低激子束缚能、长的载流子扩散长度等优点使其在太阳能电池(PSC)器件应用方面备受关注。高效的合成方法和精准的形貌控制对无机钙钛矿的光学性质及其太阳能电池光电性能及稳定性至关重要。本文系统介绍了不同维度无机钙钛矿材料包括零维量子点、一维纳米线/棒、二维纳米片和三维纳米花的现有合成方法;比较了各种合成方法的优势;着重介绍了不同维度无机钙钛矿材料的形貌调控手段,光学性质及相应太阳能电池光电性能的优化策略;最后展望了全无机钙钛矿朝着无害化和高性能钙钛矿太阳能电池的应用前景。     

ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控

近年来,钙钛矿太阳能电池由于其效率高、制造成本低、工艺简单等特点受到广泛关注,成为目前太阳能电池领域的研究热点。在钙钛矿太阳能电池中,无机-有机杂化ABX₃材料非常重要。它既作为光吸收材料,同时又作为载流子传输材料,因此它的光电性质直接影响到太阳能电池的效率。本文综述了调控无机有机金属卤化物ABX₃型钙钛矿光伏材料结构和性质的几种途径。     

大尺寸二维卤化物钙钛矿铁电晶体的生长及偏振光电探测性能研究※

低维半导体材料, 尤其是近些年快速发展的二维卤化物钙钛矿材料, 因其固有的结构各向异性、独特的量子限域效应和优异的半导体特性, 在偏振光电探测等领域展现出巨大的应用潜力. 其中, 铁电极化所产生的体光伏效应为实现高灵敏的偏振光电探测提供了一种简单有效的途径. 然而二维卤化物钙钛矿铁电体的大尺寸晶体生长仍然是其在光电器件应用中所面临的一个科学难题. 本工作中, 利用溶液降温法生长出了厘米级尺寸的高质量二维卤化物钙钛矿(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀ (iPA为异戊胺, EA为乙胺)铁电单晶, 其最大晶体尺寸达15 mm×15 mm×3 mm. 实验结果表明二维钙钛矿结构赋予(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀晶体强的光学各向异性、窄的光学带隙(1.80 eV)和极其优异的光电特性(光电响应开关比达到10³). 更重要的是, 基于(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀铁电单晶组装的光电探测器在弱偏振光的照射下表现出极其优异的光电特性, 包括大二色比(2.3)、高响应度(193 mA•W^–1)和探测率(7.0×10¹¹ Jones), 超过大多数基于材料本征光学各向异性的光电探测器件. 这项工作不仅为高度各向异性卤化物钙钛矿铁电体的晶体生长指明了方向, 而且推动了铁电材料在高性能偏振光电探测器等方面的应用.     

超卤素掺杂立方相卤化物钙钛矿太阳能电池材料第一性原理研究

卤化物钙钛矿（ABC₃）太阳能电池由于其优异的光电性质引起了人们的广泛关注,对结构中的A位及B位离子进行等价离子取代是调控钙钛矿材料禁带宽度的有效方法之一.本文研究拟用超卤素离子团簇（BeX₃^-,MgX₃^-,BX₄^-,AlX₄^-,SiX₅^-,PX₆^-,X＝F,Cl）对立方相CsPbI₃钙钛矿中的I^-离子进行部分掺杂或完全取代,设计了一系列基于超卤素团簇掺杂的新型卤化物钙钛矿太阳能电池材料,并运用第一性原理的方法对材料的结构和性质进行了模拟研究.结果表明,采用上述超卤素离子团簇对CsPbI₃钙钛矿中的I^-离子进行部分掺杂比全部取代后得到的结构体系禁带宽度小;采用PCl₆^-团簇取代I^-离子得到的CsPb （PCl₆）₃体系的禁带宽度是1.58 eV,其导带底部主要由Cl原子的3p轨道、P原子的3s轨道以及Pb原子的6p轨道杂化组成,该材料是一种潜在的钙钛矿太阳能电池材料.     

锡钙钛矿太阳能电池的进展与展望

金属卤素钙钛矿是目前最有前景的高效低成本新型太阳能电池材料,但是目前还存在环境友好性和理论效率极限较低的问题。锡钙钛矿环境友好,而且其带隙更窄理论转换效率更高,吸引了广泛的关注。锡钙钛矿太阳能电池(TPSC)近年来发展迅速,是目前效率最高的无铅钙钛矿太阳能电池。本文先介绍了锡钙钛矿的晶体结构、能带结构和光电性质,然后总结了最近在锡钙钛矿领域有代表性的工作和提高光电转化效率的策略,最后讨论了锡钙钛矿发展面临的挑战和未来的发展方向。     

提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的策略

近年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿的叠层太阳能电池引起了巨大的研究热潮。但是,不稳定性限制了其商业化。适用于顶部子电池的宽带隙钙钛矿存在相不稳定性,而适用于底部子电池的窄带隙钙钛矿存在空气不稳定性。首先,我们总结了提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的最新进展。然后,我们系统地分析了导致宽带隙钙钛矿的相不稳定性和窄带隙钙钛矿的空气不稳定性的原因,并为解决这些不稳定性问题总结了合理的策略。我们也简短地总结了中间层带来的不稳定性以及相应的解决措施。最后,我们回顾了钙钛矿材料固有的本征不稳定性和相应的改进方法,这对于将来发展更稳定的叠层太阳能电池中是必要的。我们认为随着对钙钛矿子电池的理解越来越深入,基于钙钛矿的叠层电池特别是钙钛矿/硅叠层电池将会迅速商业化。     

Antioxidant Grain Passivation for Air‐Stable Tin‐Based Perovskite Solar Cells

Tin‐based perovskites with excellent optoelectronic properties and suitable band gaps are promising candidates for the preparation of efficient lead‐free perovskite solar cells (PSCs). However, it is challenging to prepare highly stable and efficient tin‐based PSCs because Sn²⁺ in perovskites can be easily oxidized to Sn⁴⁺ upon air exposure. Here we report the fabrication of air‐stable FASnI₃ solar cells by introducing hydroxybenzene sulfonic acid or its salt as an antioxidant additive into the perovskite precursor solution along with excess SnCl₂. The interaction between the sulfonate group and the Sn²⁺ ion enables the in situ encapsulation of the perovskite grains with a SnCl₂–additive complex layer, which results in greatly enhanced oxidation stability of the perovskite film. The corresponding PSCs are able to maintain 80 % of the efficiency over 500 h upon air exposure without encapsulation, which is over ten times longer than the best result reported previously. Our results suggest a possible strategy for the future design of efficient and stable tin‐based PSCs.     

新型(4-HBA)SbX5·H2O类钙钛矿单晶及其卤素结构对发光特性的调控(英文)

发光材料因其在照明、显示、成像等方面的广泛应用而备受关注。作为新兴发光材料之一,钙钛矿类材料的研究及报道较多。其中,铅基钙钛矿的研究取得了巨大进展,光致发光量子产率(PLQY)几乎达到了100%。然而,基于铅基钙钛矿化学毒性和低稳定性,在实际应用过程中需要特殊的封装,因而提高了生产成本并限制了其实际应用领域。被广泛关注的锡基钙钛矿的荧光量子产率几乎能达到90%,但Sn²⁺易氧化成Sn⁴⁺,在空气中极不稳定。相较于铅基钙钛矿和锡基钙钛矿,锑基钙钛矿的低化学毒性、高热稳定性等优点突出。此外,锑基钙钛矿的光学性能在过去几年中也取得了很大的进展,有望突破传统钙钛矿应用的局限。在此,我们报道了一系列新型单晶(4-HBA)SbX₅·H₂O (4-HBA为4-羟基苄胺缩写,X为Cl或Br)。利用溶剂热法可制备高质量的(4-HBA)SbBr₅·H₂O、(4-HBA)SbBr₃Cl₂·H₂O和(4-HBA)S...     

反式锡基钙钛矿光伏电池的制备及稳定性策略

近年来,钙钛矿光伏电池（PSCs）取得了突飞猛进的发展,迄今最高认证光电转换效率达到25.7%,但是钙钛矿材料常使用有毒的重金属元素铅,对环境和人体都有极大的危害,不利于其实际应用,因此发展无铅PSCs受到越来越多的关注。锡基钙钛矿材料具有优异的光电性质,特别是带隙窄、载流子迁移率高和激子复合能低,是无铅钙钛矿中最具有潜力的材料。反式（p-i-n型）锡基PSCs由于低迟滞效应、可低温制备及低成本等优点获得普遍关注,取得了一系列重要突破,目前最高效率已经突破14%,具有巨大的发展潜力。鉴于反式锡基钙钛矿太阳能的迅速发展,本文系统综述了反式锡基PSCs制备及稳定性研究进展,尤其关注反式锡基PSCs的界面修饰、锡基钙钛矿材料性能、构筑高质量锡基钙钛矿薄膜的方法以及提高稳定性的策略,并讨论了锡基PSCs的前景展望。     

Mechanistic Understanding of Oxidation of Tin-based Perovskite Solar Cells and Mitigation Strategies

Tin (Sn)-based perovskites as the most promising absorber materials for lead-free perovskite solar cells (PSCs) have achieved the record efficiency of over 14 %. Although suppressing the oxidation of Sn-based perovskites is a frequently concerned topic for Sn-based PSCs, many studies have given vague explanations and the mechanisms are still under debate. This is in principal due to the lack of an in-depth understanding of various and complex intrinsic and extrinsic factors causing the oxidation process. In this context, we critically review the chemical mechanism of facile oxidation of Sn-based perovskites and differentiate its detrimental effects at material- and device-level. More importantly, we classify and introduce the intrinsic factors (raw materials and solvent of perovskite precursors) and extrinsic factors (exposure to neutral oxygen and superoxide) causing the oxidation with their corresponding anti-oxidation improvement methods. The presented comprehensive understanding and prospect of the oxidation provide insightful guidance for suppressing the oxidation in Sn-based PSCs “from the beginning to the end”.     

Graded interface engineering of 3D/2D halide perovskite solar cells through ultrathin(PEA)_2PbI_4 nanosheets

2D halide perovskites have emerged as promising materials because of their stability and passivation effect in perovskite solar cells(PSCs).However,the introduction of bulky organic ammonium cations from 2D halide perovskites would decrease the device performance generally compared to the traditional 3D MAPbI_3.Incorporation of ultrathin 2D halide perovskite nanosheets(NSs) with 3D MAPbI_3 could address this issue.Herein,we re port a rationally designed PSCs with dimensional graded 3D/2D MAPbI_3/(PEA)2 PbI_4 heterojunction,in which 2D(PEA)2 PbI_4 NSs were synthesized and incorporated between 3D MAPbI_3 and hole-transporting layer.Besides the significantly improved stability,a notable increasement in power conversion efficiency(PCE) of 20% was obtained for the 3D/2D perovskite solar cells due to the favourable band alignment among(PEA)_2 PbI_4 NSs and the other components.The graded structure of MAPbI_3/(PEA)2 PbI_4 would upshift the energy level continuously,which enhances the hole extraction efficiency thus reduces the interface charge recombination,leading to the increasements of VOC from1.04 V to 1.07 V,Jsc from 21.81 mA/cm~2 to 23.15 mA/cm~2 and the fill factor from 67.89% to 74.78%,and therefore an overall PCE of 18.53%.     

Lights and Shadows of DMSO as Solvent for Tin Halide Perovskites

In 2020 dimethyl sulfoxide (DMSO), the ever-present solvent for tin halide perovskites, was identified as an oxidant for Sn^II. Nonetheless, alternatives are lacking and few efforts have been devoted to replacing it. To understand this trend it is indispensable to learn the importance of DMSO on the development of tin halide perovskites. Its unique properties have allowed processing compact thin-films to be integrated into tin perovskite solar cells. Creative approaches for controlling the perovskite crystallization or increasing its stability to oxidation have been developed relying on DMSO-based inks. However, increasingly sophisticated strategies appear to lead the field to a plateau of power conversion efficiency in the range of 10–15 %. And, while DMSO-based formulations have performed in encouraging means so far, we should also start considering their potential limitations. In this concept article, we discuss the benefits and limitations of DMSO-based tin perovskite processing.