锡基钙钛矿太阳能电池载流子传输层的探讨

锡基钙钛矿太阳能电池可避免铅元素对环境带来的污染,近年来已成为光伏领域的研究热点.本文以SCAPS-1D太阳能电池数值模拟软件为平台,对不同电子传输层和不同空穴传输层的锡基钙钛矿太阳能电池器件的性能进行数值仿真对比,从理论上分析不同载流子传输层的锡基钙钛矿太阳能电池的性能差异.结果显示,载流子传输层与钙钛矿层的能带对齐对电池性能至关重要.电子传输层具有更高的导带或电子准费米能级以及空穴传输层具有更低的价带或空穴准费米能级时,对电池输出更大的开路电压有促进作用.另外,当电子传输层的导带高于钙钛矿层导带或钙钛矿层的价带高于空穴传输层的价带时,钙钛矿层与载流子传输层界面形成spike势垒,界面复合机制相对较弱,促使电池获得更佳的性能.当Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3分别作为电子传输层和空穴传输层时,与其他材料相比,获得了更优的输出特性:开路电压Voc=0.94 V,短路电流密度Jsc=30.35 mA/cm^2,填充因子FF=76.65%,功率转换效率PCE=21.55%,可认为Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3是设计锡基钙钛矿太阳能电池结构合适的载流子传输层材料.这些模拟结果有助于实验上设计并制备高性能的锡基钙钦矿太阳能电池.     

n-i-p结构钙钛矿太阳能电池界面钝化的研究进展

近年来有机-无机杂化钙钛矿材料因其吸收系数高、成本低廉、制备工艺简单等优点吸引了大批科研人员进行研究,目前在实验室制备的电池能量转换效率已经超过23%.钙钛矿太阳能电池一般采用溶液法逐层制备,在此过程中由于退火温度、结晶速率等因素的影响,钙钛矿内部以及界面会产生大量的缺陷,这些缺陷会增加载流子复合概率,降低载流子寿命,严重影响钙钛矿太阳能电池的性能.因此研究和理解钙钛矿的缺陷对制备高效钙钛矿太阳能电池至关重要.本文讨论了在正式结构中,钙钛矿太阳能电池缺陷的产生以及缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响,分析了不同材料钝化电子传输层/钙钛矿层界面以及钙钛矿层/空穴传输层界面缺陷的机理,对比了不同钝化材料对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,总结了界面钝化材料在钙钛矿太阳能电池中的作用.最后指出了钙钛矿太阳能电池钝化缺陷的研究趋势和发展方向.     

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.     

减小边缘复合助力28%效率的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣.然而,在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时,会造成显著的效率下降,限制了叠层电池的性能.为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导,减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合,本工作采用砂轮划片这一冷加工方法,对异质结硅电池进行切割.与采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小,非辐射复合得到显著抑制,器件的开路电压和填充因子均得到提高,平均光电转换效率提高了1%.将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠,获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.     

钙钛矿太阳能电池辐照实验研究

太阳能电池作为航天器的重要能源,其空间抗辐射性能具有重要的研究意义.钙钛矿太阳能电池因其较长的载流子寿命、较高的光吸收性能、高载流子迁移率以及成本低和易于制备等优势成为太阳能电池研究的前沿和热点.近年来,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逐渐提升至25.5%,在各个领域逐渐走向实际应用,并将有可能应用于航天器的电源系统.目前,钙钛矿太阳能电池的空间辐照效应研究较为分散,实验样品来自不同的制备工艺,不同器件结构和组分比例会导致实验结果的差异.本文基于自主研制的钙钛矿太阳能电池样品分别开展了质子、电子以及γ辐照实验研究,通过分析辐照前后的光电特性预测其辐射效应规律,为钙钛矿太阳能电池的空间应用提供实验依据.     

钙钛矿薄膜钝化策略的研究进展

钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电转化效率及成本低等优点被引入作为一种新的光伏器件。在过去的十几年内,钙钛矿太阳能电池的研究及发展尤为迅速,性能有了显著提高。然而,要使其进入光伏市场,研究者还需要做出巨大努力。这主要是由于钙钛矿薄膜自身制备的局限性,使其缺陷的存在是不可避免的,这严重影响了钙钛矿太阳能电池中载流子的数目及迁移率,从而制约了钙钛矿太阳能电池效率及稳定性的提升。本综述在对钙钛矿及其缺陷分类简单介绍的基础上,总结了近些年来钙钛矿薄膜钝化的不同策略,希望可以对钙钛矿材料领域的研究人员在选择合适钝化剂方面提供一定的参考。     

Rubrene作电子传输层的异质结有机太阳能电池

以Rubrene为电子传输层(ETL),制备了结构为ITO/MoO3(5nm)/Rubrene(50nm)/C60(45nm)/Rubrene(0,3,5.5,9.5nm)/Al(130nm)的有机太阳能电池.与没有ETL的器件相比,含5.5nmRubrene的电池的开路电压、填充因子、功率转换效率分别从0.68V,0.488,0.315%增加到0.86V,0.574,0.490%.实验结果分析表明:热的Al原子直接沉积在C60上,破坏了C60层,形成高功函数的C60/Al阴极,弱化内建电场,降低电池性能;当插入ETL后,C60层得到保护,热的Al原子沉积破坏了Rubrene层,形成了缺陷态能级,提高电池的内建电场,促进了电子的传输.进一步的单电子电池实验表明,缺陷态能级低于C60的最低未占据分子轨道.     

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.     

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.     

复合阴极Ag/LiF/Al对P3HT:PCBM太阳能电池性能的影响

在P3HT∶PCBM聚合物太阳能电池的阴极LiF/Al中引入纳米结构的银膜组成Ag/LiF/Al复合阴极,太阳能电池的光电流能显著提高。在AM1.5G和100mW.cm-2的模拟太阳光照射下,当银膜厚度为4纳米时,优化的太阳能电池的光电流要比只有LiF/Al的参比太阳能电池高20%以上。研究表明,纳米银膜产生的表面等离子体效应是增强聚合物太阳能电池光电池的主要原因。不过,银膜修饰的太阳能电池填充因子和开路电压要比参考电池低,最终使该类型电池效率降低。在银膜处增加的载流子复合可能是导致电池填充因子、开路电压和能量转化效率降低的重要原因。     

F16CuPc作为阳极缓冲层对有机太阳能电池性能的显著改善

采用F₁₆CuPc作为有机太阳能电池的阳极缓冲层可使器件的性能得到显著提高。F₁₆CuPc的引入,一方面可以实现CuPc分子的定向生长,从而改善CuPc薄膜的结晶度,提高其空穴迁移率;另一方面在F₁₆CuPc/CuPc界面处可形成偶极层,改善空穴的输出效率。以上两个作用有效提高了器件的载流子收集效率,降低了器件的串联电阻和光生载流子复合几率,从而提高了器件的短路电流和填充因子。同时,F₁₆CuPc的引入使器件的内建电场增大,提高了器件的开路电压。     

阴极功函数和激子产生率对肖特基接触单层有机太阳能电池开路电压的影响研究

运用数值方法系统研究了阴极功函数,激子产生率和温度对肖特基接触单层有机太阳能电池开路电压的影响,分析了开路电压条件下有机太阳能电池有机层内载流子和电场的分布.结果表明在阳极功函数一定时开路电压随着阴极功函数（W_c）的降低而增大,当W_c接近有机材料的最低未被占据分子轨道（LUMO）能级时开路电压不再增大而达到一个饱和值,饱和开路电压随激子产生率的提高而增大;对于给定的阳极和阴极功函数,开路电压随激子产生率的提高而增大并在激子产生率达到一 关键词： 开路电压 温度 阴极功函数 单层有机太阳能电池     

光伏碲镉汞探测器在波段内连续激光辐照下的非线性响应机理研究

利用波段内连续激光, 辐照禁带宽度为0.33 eV的中波光伏碲镉汞探测器. 实验结果表明, 随着辐照激光光强的逐渐增大, 探测器从线性响应过渡为非线性响应. 当探测器进入非线性状态, 探测器的开路电压随激光光强的增大而减小, 且在激光开启辐照时开路电压信号迅速下跳, 在激光停止辐照时开路电压信号迅速上跳. 通过考虑激光辐照下探测器的温度场分布以及温度对p-n结内建电场的影响, 结合考虑机械快门在开启和关闭时对激光光强变化的影响, 建立了光伏探测器在波段内连续激光辐照下的解析模型, 模型计算结果与实验结果吻合得较好. 研究表明, 激光辐照过程中的非线性响应, 主要由温度对p-n结内建电场的影响决定, 激光开启和关闭时的开路电压的幅值是由光强和温度共同决定.     

In组分梯度渐变的n-i-p结构InGaN太阳能电池性能研究

为了优化InGaN太阳能电池结构并有效地指导实际电池的制备,研究了n-i-p(p层在下)In组分梯度渐变结构的InGaN太阳能电池的性能特征。通过APSYS软件模拟计算,对比采用p-i-n渐变结构(p层在上)和n-i-p渐变结构(p层在下)的InGaN太阳能电池的器件性能。结果表明,采用n-i-p渐变结构的InGaN电池,i-InGaN层在低In组分下没有明显的优势,而在高In组分下的器件性能较好。在In组分为0.62时,转换效率最高达到8.48%。分析表明,p层在下的n-i-p渐变结构使得InGaN电池的极化电场与耗尽区的内建电场方向一致,有利于载流子的输运。采用n-i-p渐变结构有利于制备高性能的InGaN太阳能电池。     

钙钛矿太阳能电池近期进展

近几年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿(ABX_3)的太阳能电池由于其独特的物理化学性质受到了广泛的关注.这种钙钛矿材料具有很高的消光系数、较强的电荷传递能力、长的载流子寿命、长的载流子扩散距离以及特殊的双极性,同时低成本易制作.自2009年至今,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到了20.8%,使之成为最有可能在未来代替传统单晶硅太阳能电池的新型太阳能电池.同时,由于钙钛矿具有双极性,故钙钛矿太阳能电池的结构也有多种,最常见的结构有介孔结构、平面结构、介观超结构、无空穴传输层结构等.本文主要介绍钙钛矿太阳能电池的发展、电池结构及其对光电池性能的影响、钙钛矿薄膜的制备方法,同时探讨了钙钛矿在电子传输层上的吸附模型和电荷在电池界面中的传输机理以及界面工程,并介绍该类型电池在近期所获得的突破及未来可能的发展方向,以便对钙钛矿太阳能电池有进一步的了解.     

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.     

a-C: Fe/AlOx/Si基异质结的光伏效应

使用脉冲激光沉积(PLD)依次沉积氧化铝和碳膜制备了a-C: Fe/AlO_x/Si基异质结,研究了其光伏效应及其在太阳能电池上的应用.该太阳能电池在标准日光照射(AM1.5,100 mW/cm²)下,可获得0.33 V的开路电压和4.5 mA/cm²的电流密度,太阳能电池的转换效率为0.35%.通过C-V测量,证明了氧化铝层的引入降低了界面能级数目,增加了界面势垒高度.界面能级数目降低减少了光生载流子在界面复合的 关键词： 光伏效应 非晶碳膜 异质结 氧化铝     

钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展

有机-无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次应用在光伏器件中, 而后有关此类型太阳能电池的报道数量呈井喷式增长. 至2014年5月钙钛矿电池光电转化效率已接近20%, 已超过有机及染料敏化太阳能电池的效率, 且有望达到单晶硅太阳能的水平, 成为光伏发电领域中的希望之星. 在钙钛矿电池中, 电子传输材料与吸收层的电子选择性接触对提高光电转化效率起到重要作用, 尤其在正置结构器件中, 电子传输层的介观结构直接影响钙钛矿的生长情况. 同时, 电子传输层的化学性质及其界面也会对电池的稳定性和寿命产生影响. 本文总结了电子传输材料在该类电池中的研究现状和热点, 并按材料的化学组分不同, 将电子传输材料分为三类: 金属氧化物、有机小分子和复合材料, 详细地介绍了电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的作用和近来的最新进展.     

基于BiFeO_3/ITO复合膜表面钝化的黑硅太阳电池性能研究

采用金属银辅助化学刻蚀法在制绒的硅片表面刻蚀纳米孔形成微纳米双层结构,以期获得高吸收率的太阳能电池用黑硅材料.鉴于微纳米结构会在晶硅表面引入大量的载流子复合中心,利用磁控溅射技术在黑硅太阳电池表面制备了BiFeO_3/ITO复合膜,并对其表面性能和优化效果进行了探索.实验制备的具有微纳米双层结构的黑硅纳米线长约180—320 nm,在300—1000 nm波长范围内入射光反射率均在5%以下.沉积BiFeO_3/ITO复合薄膜后的黑硅太阳能电池反射率略有提高,但仍然具有较强的光吸收性能;采用BiFeO_3/ITO复合膜的黑硅太阳能电池开路电压和短路电流密度分别由最初的0.61 V和28.42 mA/cm~2提升至0.68 V和34.57 mA/cm~2,相应电池的光电转化效率由13.3%上升至16.8%.电池综合性能的改善主要是因为沉积BiFeO_3/ITO复合膜提高了电池光生载流子的有效分离,从而增强了黑硅太阳电池短波区域的光谱响应,表明具有自发极化性能的BiFeO_3薄膜对黑硅太阳能电池的表面性能可起到较好的优化作用.     

P-I-N型锡铅钙钛矿太阳电池性能的限制因素及解决策略

锡铅钙钛矿太阳电池已被证明可以用于全钙钛矿叠层太阳电池中,作为窄带隙底电池进一步提高器件光电转换效率.目前, P-I-N型锡铅钙钛矿太阳电池的最高效率为21.7%,明显低于铅基钙钛矿太阳电池.本文分析了限制其性能提高的主要因素,并针对性地总结了近几年研究工作者们提出的有效解决策略,主要包括:1)通过添加富锡化合物、强还原剂或含大的有机阳离子的化合物以抑制Sn~(2+)氧化,减少锡铅钙钛矿材料p型掺杂程度,降低电池开路电压损耗; 2)通过调控组分、改变钙钛矿薄膜制备方法、溶剂工程或添加含功能性基团的化合物以延缓锡铅钙钛矿薄膜结晶生长速率,提高薄膜质量; 3)通过选用合适的电子传输层或空穴传输层,减少能级失配对载流子传输的影响或避免载流子传输层的本身不稳定性对器件的影响.最后,本文展望了锡铅钙钛矿太阳电池的未来发展,认为其不仅有望实现高效稳定的单结太阳电池,而且还可以应用于高效全钙钛矿叠层太阳电池.