EDTA/SnO2双层复合电子传输层在钙钛矿电池中的应用

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池器件因其高效率受到广泛关注,而界面问题是制备高效钙钛矿太阳能电池的关键问题之一.本文研究了一种高效的乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)/SnO₂双层复合结构,将超薄的EDTA层与ITO(锡-铟氧化物)电极接触, SnO₂层与钙钛矿界面接触,作为电子传输层(ETL)用于制备钙钛矿太阳能电池.有趣的是,复合ETL的顶部SnO₂侧的表面形态可以通过调整下面的EDTA层来进行微调.通过调整EDTA膜厚,可以调控钙钛矿层结晶过程中的成核过程,调节了电子传输层与钙钛矿层之间的载流子提取过程.本文中制备的钙钛矿太阳能电池的回滞效应可以忽略,并且经过第三方认证,已经实现了20.2%的能量转换效率.     

甲脒碘化铅单晶基钙钛矿太阳能电池的研究

近年来,CH(NH₂)₂PbI₃(FAPbI₃)由于其带隙接近理想值而受到了广泛关注,成为钙钛矿太阳能电池中最具吸引力的光电功能材料.然而由碘甲脒(FAI)和碘化铅(PbI₂)作为前驱体制备的传统钙钛矿层化学计量比不精准,缺陷密度大,稳定性差且结晶度较低,导致钙钛矿太阳能电池性能很难进一步提高.本文采用FAPbI₃单晶制备的钙钛矿薄膜具有高结晶度,高稳定性,精确的化学计量比和低缺陷密度.单晶钙钛矿薄膜的晶粒尺寸大,晶界少,导致晶界处缺陷较少,提高了钙钛矿太阳能电池的短路电流密度(J_SC)和开路电压(V_OC),使其光电转换效率有了大幅度的提高.本文为制备高稳定性、高结晶度和低缺陷密度的钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.     

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

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-C₃N₄),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-C₃N₄不仅能调解碘铅甲胺(MAPbI₃)结晶的成核和生长速率,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-NH₂/-NH₃,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-C₃N₄)电池(效率为5.93%)相比,掺杂质子化石墨相氮化碳(p-g-C₃N₄)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.     

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.     

采用PEABr添加剂获得高效且稳定的碳基CsPbBr3太阳能电池

全无机CsPbBr₃钙钛矿材料因其本征稳定性好、成本低廉从而在光伏领域展现出巨大的应用潜力,但目前CsPbBr₃太阳能电池的光电转换效率仍远低于其他体系的钙钛矿太阳能电池.本文以无空穴传输层结构的碳基CsPbBr₃全无机钙钛矿电池作为研究对象,以多步旋涂法为基础,通过在PbBr₂(DMF)溶液中添加2-苯乙胺溴盐(PEABr)来调控CsPbBr₃薄膜的结晶质量,降低薄膜缺陷态密度,钝化晶粒间界,并对其中的关键工艺参数包括CsBr的用量(旋涂次数)、旋涂PbBr₂薄膜时的衬底预热温度以及退火温度进行了优化.最终在大气环境下获得了兼具稳定和高效的无空穴传输层结构的碳基CsPbBr₃太阳能电池,器件的光电转换效率达到8.25%,并在无封装条件下保存1500 h仍可保持90%以上的效率,对于进一步拓展CsPbBr₃钙钛矿电池的优化设计思路具有重要意义.     

利用PNA添加剂来调控钙钛矿薄膜结晶和覆盖率实现高效太阳能电池

钙钛矿薄膜形貌的控制是一个提高太阳能电池能量转换效率的关键问题,而引入添加剂是解决这一问题的一种有效而简便的方法。利用聚丙烯腈（PNA）作为CH₃NH₃PbI₃前驱体溶液溶剂添加剂,通过其浓度可以调控钙钛矿薄膜结晶和表面的覆盖率。本文通过SEM、XRD以及UV-Vis研究了PNA掺杂CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜后的表面形貌、结晶度和光学性能的变化。结果表明,通过添加少量的PNA可以优化钙钛矿薄膜的性能,其强烈影响薄膜的结晶过程,有助于形成均匀连续的薄膜,减少针孔,从而增强了钙钛矿层的覆盖率和光吸收。当PNA 的含量为1%（质量分数）时,钙钛矿太阳能电池的各项性能最佳,能量转换效率达到了8.38%。与未加PNA 的电池效率（1.31%） 相比,提高了540%。这些结果表明,PNA可以有效调控钙钛矿薄膜的晶体生长和薄膜形貌,在钙钛矿太阳能电池的大规模生产过程中是一种可以改善钙钛矿薄膜质量的有效添加剂。     

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.     

有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展

近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.     

醋酸纤维素提高CsPbIBr2无机钙钛矿薄膜质量及其太阳能电池光电性能

由于具有适合的带隙和较高的稳定性,CsPbIBr₂无机钙钛矿被认为是一种较有前景的太阳能电池光吸收材料.但是目前报道的CsPbIBr₂钙钛矿太阳能电池效率还偏低,主要原因是制备的CsPbIBr₂钙钛矿膜质量差、缺陷多.本文通过将醋酸纤维素(CA)加入CsPbIBr₂钙钛矿前驱体溶液中改善CsPbIBr₂钙钛矿结晶过程,从而制备高质量的CsPbIBr₂钙钛矿膜.实验结果表明,CA中的C=O基团与前驱体溶液中的Pb²⁺间存在明显的相互作用,这种相互作用结合CA加入引起的前驱体溶液粘度增加,使CsPbIBr₂钙钛矿的结晶速率明显降低,从而制备了致密、结晶度高、晶粒尺寸大、晶界和缺陷少的高质量CsPbIBr₂钙钛矿膜.同时,CA的保护作用显著提高了CsPbIBr₂钙钛矿膜的稳定性.用碳材料层作为空穴传输层和背电极,制备结构为FTO/TiO₂/CsPbIBr...     

钙钛矿太阳电池综述

基于有机-无机杂化钙钛矿材料(CH₃NH₃PbX₃)制备的太阳电池效率自2009年从3.8%增长到19.6%, 因其较高的光吸收系数, 较低的成本及易于制备等优势获得了广泛关注. 钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层, 还可用作电子和空穴传输层, 以此制备出不同结构的钙钛矿太阳电池: 介孔结构、介观超结构、平面结构、无HTM层结构和有机结构. 除此之外, 钙钛矿材料制备方法的多样性使其更具吸引力, 目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液-气相沉积法. 本文主要介绍了钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理及钙钛矿薄膜的制备方法等. 详细阐述了电池每一层的具体作用和针对现有的钙钛矿结构各层材料的优化, 最后介绍了钙钛矿太阳电池所面临的问题和发展前景, 以期对钙钛矿太阳电池有进一步的了解, 为制备新型高效的钙钛矿太阳电池打下坚实的基础.     

有机阳离子对卤素钙钛矿太阳能电池性能的影响

采用第一性原理计算了CH_3NH_3PbI_3中有机部分CH_3NH_3~+和CH_3NH_3的静电特性.结果表明:CH_3NH_3~+具有强的亲电特性,CH_3NH_3的CH_3~-端具有弱亲电性,而NH_3~-端具有弱亲核性.发现在CH_3NH_3PbI_3中CH_3NH_3~+之间强静电排斥作用在相变中起着重要的作用,且在室温条件下CH_3NH_3~+在无机笼中具备活性和无序的特性,使得TiO_2/CH_3NH_3PbI_3异质结中n型TiO_2的电子通过界面扩散到CH_3NH_3PbI_3材料,并与CH_3NH_3~+结合形成CH_3NH_3,CH_3NH_3的静电特性导致在内建电场作用下更容易取向,取向的CH_3NH_3周围形成的静电场会变得更弱和更加均匀.这对无机框架上载流子的产生和传输更加有利,这样的异质结比传统的pn结具有更大优势.这是CH_3NH_3PbI_3太阳能电池高的光电转换效率的重要原因.     

高效钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池

制备了一种有机铅卤钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池。采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜对薄膜形貌进行了表征。结果表明:有机本体异质结层可以有效改善钙钛矿的表面形貌, 增强了可见光的吸收。优化后的串联结构电池的短路电流可达19.14mA/cm², 开路电压为0.76V, 光电转换效率达到了6.54%。钙钛矿电池和有机本体异质结电池串联结构可以同时提高短路电流及填充因子, 二者具有较好的相容性和协同作用。     

CH3NH3I在制备CH3NH3PbI(3-x)Clx钙钛矿太阳能电池中的作用

利用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物制备的太阳能电池, 由于具有溶液可加工性和高光电转换效率, 受到了广泛关注. 在目前报道的最高光电转换效率的器件中, 采用了CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x碘氯混合钙钛矿作为吸光层, 据报道在这种材料中光电子的扩散长度可以超过1 μm. 本文综述了在CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x方面现有的研究工作, 指出了薄膜制备条件的重要性, 并研究了CH₃NH₃I在PbCl₂/CH₃NH₃I热解法制备CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层中的作用. 扫描电子显微镜研究表明CH₃NH₃I加入量为PbCl₂的2倍到2.75倍时, CH₃NH₃I加入量的增加可以提高CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x吸光层的覆盖度和结晶度, CH₃NH₃I加入量进一步增加到3倍时, 形貌变化不大. X射线光电子能谱的数据证实了CH₃NH₃I加入量对覆盖度的影响, 并显示在CH₃NH₃I加入量大于PbCl₂的2.5倍以后, CH₃NH₃PbI_(3-x)Cl_x中氯的掺入量急剧下降. 光电测试表明器件性能随CH₃NH₃I加入量增加而增加, 在CH₃NH₃I/PbCl₂为3/1时达到最高, 加入量略小于3/1对性能影响不大.     

Device simulation of lead-free CH_3NH_3SnI_3 perovskite solar cells with high efficiency

The lead-free perovskite solar cells(PSCs) have drawn a great deal of research interest due to the Pb toxicity of the lead halide perovskite.CH_3NH_3SnI_3 is a viable alternative to CH_3NH_3PbX_3,because it has a narrower band gap of 1.3 eV and a wider visible absorption spectrum than the lead halide perovskite.The progress of fabricating tin iodide PSCs with good stability has stimulated the studies of these CH_3NH_3SnI_3 based cells greatly.In the paper,we study the influences of various parameters on the solar cell performance through theoretical analysis and device simulation.It is found in the simulation that the solar cell performance can be improved to some extent by adjusting the doping concentration of the perovskite absorption layer and the electron affinity of the buffer and HTM,while the reduction of the defect density of the perovskite absorption layer significantly improves the cell performance.By further optimizing the parameters of the doping concentration(1.3 × 10~(16) cm~3) and the defect density(1 × 10~(15) cm~3) of perovskite absorption layer,and the electron affinity of buffer(4.0 eV) and HTM(2.6 eV),we finally obtain some encouraging results of the J_(sc) of 31.59 mA/cm~2,V_(oc) of 0.92 V,FF of 79.99%,and PCE of 23.36%.The results show that the lead-free CH_3NH_3SnI_3 PSC is a potential environmentally friendly solar cell with high efficiency.Improving the Sn~(2+) stability and reducing the defect density of CH_3NH_3SnI_3 are key issues for the future research,which can be solved by improving the fabrication and encapsulation process of the cell.     

Enhancing the photo-luminescence stability of CH3NH3PbI3 film with ionic liquids

The methylammonium lead triiodide (CH₃NH₃PbI₃)-based perovskite shows a great alluring prospect in areas of solar cells, lasers, photodetectors, and light emitting diodes owing to their excellent optical and electrical advantages. However, it is very sensitive to the surrounding oxygen and moisture, which limits its development seriously. It is urgent to spare no effort to enhance its optical and electrical stability for further application. In this paper, we synthesize the MAPbI₃ perovskite film on the glass substrate with/without the ionic liquid (IL) of 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF₄) by a simple two-step sequential solution method. The additive of BMIMBF₄ can improve the quality of crystal structure. Moreover, the photo-luminescence (PL) intensity of MAPbI₃ film with BMIMBF₄ is much stronger than the pure MAPbI₃ film after a week in the air, which is almost ten-fold of the pure one. Meanwhile, under the illumination of 405-nm continuous wave (CW) laser, the fluorescent duration of the MAPbI₃ film with BMIMBF₄ is approximately 2.75 min, while the pure MAPbI₃ film is only about 6 s. In fact, ionic liquid of BMIMBF₄ in the perovskite film plays a role of passivation, which prevents the dissolution of MAPbI₃ into CH₃NH₃ and PbI₂ and thus enhances the stability of environment. In addition, the ionic liquid of BMIMBF₄ possesses high ionic conductivity, which accelerates the electron transport, so it is beneficial for the perovskite film in the areas of solar cells, photodetectors, and lasers. This interesting experiment provides a promising way to develop the perovskite's further application.     

First-principles analysis of the structural,electronic, and elastic properties of cubic organic-inorganic perovskite HC(NH_2)_2PbI_3

The structural, electronic, and elastic properties of cubic HC(NH_2)_2PbI_3 perovskite are investigated by density functional theory using the Tkatchenko–Scheffler pairwise dispersion scheme. Our relaxed lattice parameters are in agreement with experimental data. The hydrogen bonding between NH_2 and I ions is found to have a crucial role in FAPbI_3 stability. The first calculated band structure shows that HC(NH_2)_2PbI_3 has a direct bandgap(1.02 eV) at R-point, lower than the bandgap(1.53 eV) of CH_3NH_3PbI_3. The calculated density of states reveals that the strong hybridization of s(Pb)–p(I) orbital in valence band maximum plays an important role in the structural stability. The photo-generated effective electron mass and hole mass at R-point along the R–Γ and R–M directions are estimated to be smaller: m_e~*= 0.06 m0 and m_h~*= 0.08 m0 respectively, which are consistent with the values experimentally observed from long range photocarrier transport. The elastic properties are also investigated for the first time, which shows that HC(NH_2)_2PbI_3 is mechanically stable and ductile and has weaker strength of the average chemical bond. This work sheds light on the understanding of applications of HC(NH_2)_2PbI_3 as the perovskite in a planar-heterojunction solar cell light absorber fabricated on flexible polymer substrates.     

溶剂对钙钛矿薄膜形貌和结晶性的影响研究

溶剂对钙钛矿太阳能电池器件有着至关重要的影响. 基于目前常用的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和丁内酯(GBL)溶剂, 一步溶液旋涂技术和介孔电池结构, 制备的钙钛矿薄膜的形貌、结晶性, 以及最终的器件光电转化效率存在较大的差异, 利用DMF作为溶剂, 效率仅为2.8%, 而基于GBL的电池效率可以达到10.1%. 结合SEM, HRTEM, XRD和UV等表征手段, 分析了钙钛矿从DMF溶液和GBL溶液中结晶析出的不同机理, 明确了溶剂跟PbI₂的配位作用对钙钛矿的溶解、析出过程的制约作用, 揭示了造成器件效率差异的本质原因.     

Temperature-dependent photoluminescence on organic-inorganic metal halide perovskite CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x prepared on ZnO/FTO substrates using a two-step method

Temperature-dependent photoluminescence characteristics of organic-inorganic halide perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films prepared using a two-step method on ZnO/FTO substrates were investigated. Surface morphology and absorption characteristics of the films were also studied. Scanning electron microscopy revealed large crystals and substrate coverage. The orthorhombic-to-tetragonal phase transition temperature was~140 K. The films' exciton binding energy was 77.6 ± 10.9 meV and the energy of optical phonons was 38.8 ± 2.5 meV. These results suggest that perovskite CH_3NH_3Pb I_(3-x)Cl_x films have excellent optoelectronic characteristics which further suggests their potential usage in perovskitebased optoelectronic devices.     

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.